引力波是一種由質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)空擾動(dòng)，它以光速向外傳播，攜帶著關(guān)于其源頭的信息。引力波的存在是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言，但直到2015年，人類才首次直接探測(cè)到引力波，這是由兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的。從那以后，人類又探測(cè)到了更多的引力波事件，包括雙中子星合并和黑洞-中子星合并。

這些事件都發(fā)生在頻率為幾十至幾百赫茲的范圍內(nèi)，這是目前地面上的引力波探測(cè)器，如LIGO和Virgo，能夠探測(cè)到的頻率范圍。然而，引力波的頻率范圍是非常廣泛的，從10^-18赫茲到10^10赫茲，不同的頻段對(duì)應(yīng)著不同的天體物理過(guò)程和宇宙學(xué)機(jī)制。為了探測(cè)不同頻段的引力波，我們需要不同類型的探測(cè)器。

例如，為了探測(cè)頻率為10^-9至10^-7赫茲的引力波，我們可以利用脈沖星計(jì)時(shí)陣列，這是一種利用脈沖星的穩(wěn)定的脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量引力波對(duì)時(shí)空的微小扭曲的方法。為了探測(cè)頻率為10^-5至1赫茲的引力波，我們可以利用太空中的激光干涉儀，這是一種利用太空中的三顆衛(wèi)星組成的三角形來(lái)測(cè)量引力波對(duì)激光光程的微小變化的方法。這些探測(cè)器都是目前正在研發(fā)或計(jì)劃中的項(xiàng)目。

那么，有沒(méi)有一種方法可以探測(cè)頻率為0.1至10赫茲的引力波呢？這個(gè)頻段的引力波有什么科學(xué)意義呢？這就是北京師范大學(xué)最近一篇論文所研究的。他們提出了一個(gè)有趣的想法，那就是利用月球作為一個(gè)巨大的共振棒，來(lái)響應(yīng)引力波的激勵(lì)。(www.ws46.com)

那么，月球怎么能作為一個(gè)共振棒呢？這里我們要借鑒一個(gè)早期的探測(cè)引力波的方法，即韋伯棒。韋伯棒是一根金屬棒，它有一個(gè)固有的振動(dòng)頻率，當(dāng)引力波通過(guò)時(shí)，它會(huì)在這個(gè)頻率附近產(chǎn)生應(yīng)力，從而改變它的電阻，這樣就可以通過(guò)測(cè)量電阻的變化來(lái)探測(cè)引力波。類似地，月球也有一個(gè)固有的振動(dòng)頻率，約為0.2赫茲，當(dāng)引力波通過(guò)時(shí)，它會(huì)在這個(gè)頻率附近產(chǎn)生形變，從而改變它的表面位移，這樣就可以通過(guò)測(cè)量表面位移的變化來(lái)探測(cè)引力波。當(dāng)然，月球的形變很小，大約是10^-12米，所以我們需要一種高靈敏度的測(cè)量方法，這就是干涉儀地震儀的作用。

干涉儀地震儀是一種利用激光干涉原理來(lái)測(cè)量微小位移的儀器，它由兩個(gè)相距一定距離的反射鏡和一個(gè)激光器組成，激光器發(fā)出的光束被分成兩束，分別照射到兩個(gè)反射鏡上，然后再反射回來(lái)，重合在一個(gè)探測(cè)器上，由于兩束光的行程不同，它們會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，當(dāng)反射鏡的位置發(fā)生變化時(shí)，干涉條紋的亮度也會(huì)發(fā)生變化，這樣就可以通過(guò)測(cè)量亮度的變化來(lái)測(cè)量位移的變化。這種儀器的靈敏度可以達(dá)到10^-15米，足以探測(cè)月球的形變。

為了探測(cè)引力波，我們需要在月球表面布置一個(gè)干涉儀地震儀陣列，這個(gè)陣列由四個(gè)干涉儀地震儀組成，它們分別位于月球正面的四個(gè)角落，形成一個(gè)正方形，每個(gè)邊長(zhǎng)約為1000公里，這樣就可以覆蓋月球正面的大部分區(qū)域。這個(gè)陣列的優(yōu)點(diǎn)是，它可以同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同的引力波極化模式，即加號(hào)模式和交叉模式，這樣就可以提高探測(cè)效率和區(qū)分能力。另外，這個(gè)陣列還可以通過(guò)比較不同地點(diǎn)的位移信號(hào)，來(lái)消除一些非引力波的噪聲，比如月球的自轉(zhuǎn)、潮汐或地震等。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的難點(diǎn)是，它需要在月球表面安裝和維護(hù)這些儀器，這就需要有人類的參與，或者至少有高度自主的機(jī)器人。所以這個(gè)方案和中國(guó)的載人登月計(jì)劃有關(guān)，因?yàn)槲覈?guó)計(jì)劃在2029年前后實(shí)現(xiàn)人類登陸月球，并在月球正面建立一個(gè)科學(xué)基地。如果這個(gè)計(jì)劃能夠?qū)崿F(xiàn)，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案就有了一個(gè)很好的契機(jī)，因?yàn)樗梢岳梦覈?guó)的載人登月平臺(tái)，來(lái)運(yùn)輸和部署這些儀器，以及提供必要的能源和通訊支持。當(dāng)然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案也可以和其他國(guó)家或機(jī)構(gòu)的月球探測(cè)計(jì)劃合作，只要它們能夠提供相應(yīng)的條件和資源1。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的意義是，它可以探測(cè)到一些目前還無(wú)法探測(cè)到的引力波源，比如Ia型超新星的前身或中等質(zhì)量黑洞。這些源對(duì)于理解宇宙的演化和結(jié)構(gòu)有重要的作用，比如Ia型超新星是一種標(biāo)準(zhǔn)燭光，它可以用來(lái)測(cè)量宇宙的膨脹速度和加速度，從而揭示宇宙中的暗能量的性質(zhì)。而中等質(zhì)量黑洞是一種神秘的天體，它的存在性和形成機(jī)制還不清楚，它可能是星系核活動(dòng)的動(dòng)力源，也可能是超大質(zhì)量黑洞的種子。通過(guò)探測(cè)它們產(chǎn)生的引力波，我們可以獲得它們的質(zhì)量、自旋和位置等信息，從而增進(jìn)我們對(duì)它們的認(rèn)識(shí)。

總之，北京師范大學(xué)提出了一個(gè)利用月球作為一個(gè)引力波探測(cè)器的創(chuàng)新的方案，它可以填補(bǔ)目前引力波探測(cè)的一個(gè)空白，同時(shí)也可以為天體物理和宇宙學(xué)提供新的信息和見(jiàn)解。這個(gè)方案是可行的，也是有價(jià)值的，值得我們進(jìn)一步的研究和實(shí)施。