中国正开展太极计划：测量原子尺度级时空形变，只为探测引力波！

空间引力波探测项目——太极计划！这是我国开展的又一项重要基础科学研究，借助该计划，我国科学家将深入研究引力波现象，这将有助于人类破解黑洞演化、时空结构等世界级物理难题。

该计划由中国科学院主导，2016年正式提出，核心目标是在地球公转轨道附近、距地大约5000万公里处布置三颗卫星，这三颗卫星将围绕日心公转，并构成边长300万公里的等边三角形，在此基础上利用高精度激光干涉测量技术探测引力波。该计划的首颗卫星太极一号已于2019年成功发射上天，太极二号也正在研制中，预计最快2033年前后便能实现三星组网。

引力波是爱因斯坦于1915年所提出的广义相对论的核心预言之一，并且是最后一个被证实的核心预言。2015年，科学家通过位于地面的美国激光干涉引力波天文台（LIGO）的两台探测器首次直接捕捉到引力波信号，这一信号源自13亿光年外的两个黑洞合并。

时空看不见摸不着，但根据爱因斯坦的广义相对论，它是有形的存在，各种嵌入其中的物质，均会对时空产生作用。特别是黑洞、中子星等大质量致密天体，它们在发生高速绕转、合并等剧烈运动时，会对时空产生显著的拉伸和挤压，这种扰动还会以波的形式在时空中向四周传播，形成类似于水面波那样的时空涟漪，这便是引力波。

这种波以光速传播，几乎可以穿透一切，但从遥远时空传播至地球后衰减严重，变得极其微弱，所引起的时空形变尺度远比原子还小，因此极难探测。

为了感知到这种时空形变所带来的影响，该卫星在百万公里级尺度上的星间激光测距精度要达到皮米级，即10^-12米。虽然研制这种高精度光学测量平台极具挑战性，但这可以推进光学传感器、镜面加工、原子钟等高精尖技术的发展进步，是一举多得的好事！

此外，还必须尽可能确保三颗卫星间保持稳定构型，这样才能利用激光干涉测量技术探测引力波。这不仅对卫星的轨道、姿态控制要求极高，要确保极高的稳定度；还要抵消太阳风、光压等干扰，实现卫星的无拖拽控制。这是空间引力波探测项目所面临的最大挑战之一！

在太空中可以利用星间激光构建出上百万公里的干涉臂，这在地面是难以实现的，加之没有地震等地面噪声干扰，更易于探测低频、长持续时间的引力波信号。以太极计划为例，其空间引力波探测平台正式建成后，可探测到0.1毫赫兹～1赫兹的低频引力波信号。

这种由星间激光构成的干涉臂，类似于极细极长的弦状天线，可以用来聆听来自宇宙深处的微弱引力波信号。引力波经过时会引发比原子尺度还小的时空形变，进而改变星间激光的传播路径，在百万公里级的传播尺度上，这种微弱的时空效应会被放大，显著改变激光干涉状态，借此就能探测到引力波了。

除了太极计划，我国还有另一空间引力波探测项目——天琴计划，该项目由中山大学主导，2014年提出。这一计划也是由三颗卫星组成探测平台，只是干涉臂比太极计划要小很多，仅17万公里，三颗卫星在距离地面10万公里高的轨道围绕地球运转。天琴一号卫星已于2019年成功发射上天，天琴二号预计2026年前后上天，预计2035年左右实现三星组网。

放眼全球，空间引力波探测项目除了我国的太极计划，欧空局主导、美国参与的LISA项目也很亮眼，干涉臂很长，三颗围绕日心公转的卫星将构成边长250万公里的等边三角形，引力波探测能力估计与太极计划处于同一水平，该项目预计2035年左右发射组网。