宇宙的誕生一直吸引著人類(lèi)探索的目光，引力波的發(fā)現(xiàn)終于拼好了廣義相對(duì)論的版圖，而他們的腳步從未停下，他們登上了世界屋脊，用引力波探聽(tīng)宇宙的起源，傾聽(tīng)宇宙的初啼。中科院高能物理研究所研究員李虹在中科院SELF講壇向我們講述了原初引力波與阿里計(jì)劃的故事。

李虹 中科院高能物理研究所研究員

　　以下內(nèi)容為李虹演講實(shí)錄：

　　大家下午好！我是李虹，來(lái)自中科院高能物理研究所，今天非常榮幸在SELF講壇與大家一起分享我在宇宙學(xué)和原初引力波探測(cè)方面的研究和體會(huì)。我今天給自己的任務(wù)就是用最接地氣的語(yǔ)言給大家傳遞你們想要的最好的信息。

　　我今天演講的題目是“站在世界屋脊聆聽(tīng)宇宙的初啼”。我個(gè)人非常喜歡這個(gè)題目，因?yàn)樗嬖V我們，我們要探索的這個(gè)神秘的信號(hào)來(lái)自宇宙，這個(gè)信號(hào)是在宇宙誕生的時(shí)刻就發(fā)出的，它是一件非?？岬氖虑?。

　　什么是初啼呢？顧名思義，孩子在降生的時(shí)候哇哇啼哭，在門(mén)外焦急等待的父親聽(tīng)到啼哭聲，就知道孩子出生了。宇宙也一樣，一旦我們聽(tīng)見(jiàn)了宇宙的初啼，聽(tīng)見(jiàn)了宇宙的第一串聲音，我們就會(huì)知道宇宙在誕生時(shí)刻的奧妙。

　　我們的宇宙已經(jīng)138億年了，138億年前發(fā)出了一個(gè)聲音，今天我們要想去探聽(tīng)到它，一定是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情。俗話說(shuō)，“站得高，望得遠(yuǎn)”，同樣，站得高我們也能聽(tīng)得更遠(yuǎn)，所以我們要登上世界屋脊去探聽(tīng)來(lái)自浩瀚宇宙當(dāng)中最遙遠(yuǎn)、最神秘的聲音。

　　宇宙的初啼到底是什么？我們?cè)趺慈ヌ铰?tīng)呢？這就是我們今天要講的重點(diǎn)內(nèi)容——探索原初引力波。

　　下面我們一起開(kāi)啟原初引力波的探索之旅。原初引力波，顧名思義是引力波的一種，所以首先我們要搞清楚什么是引力波，大家都知道引力是自然界中一種基本的相互作用力。牛頓力學(xué)告訴我們地球圍繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)是因?yàn)榈厍蚴艿搅藖?lái)自太陽(yáng)的萬(wàn)有引力的相互作用。但我們知道牛頓力學(xué)并非是描述宇宙的終極理論。

　　100年前，愛(ài)因斯坦提出的廣義相對(duì)論是更為基礎(chǔ)的理論，在廣義相對(duì)論中并不存在絕對(duì)的萬(wàn)有引力，地球?yàn)槭裁蠢@著太陽(yáng)轉(zhuǎn)？因?yàn)樘?yáng)相對(duì)于地球來(lái)說(shuō)是一個(gè)大質(zhì)量的天體，由于這個(gè)大質(zhì)量天體的存在，我們的宇宙、時(shí)空發(fā)生了彎曲，地球在這樣一個(gè)彎曲的時(shí)空當(dāng)中走了一條最經(jīng)濟(jì)的道路，沿著側(cè)地線運(yùn)動(dòng)，就形成了我們看到的地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)的引力體系，引力波就起源于引力相互作用。

　　到底什么是引力波？如果宇宙中發(fā)生了一些引力擾動(dòng)事件，比如說(shuō)兩個(gè)大質(zhì)量的天體，兩個(gè)黑洞或兩個(gè)中子星發(fā)生了相互的繞轉(zhuǎn)，并且越轉(zhuǎn)越快，最后它們要并合，在這個(gè)過(guò)程中大質(zhì)量天體會(huì)導(dǎo)致時(shí)空的扭曲，當(dāng)它們加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，扭曲的時(shí)空會(huì)以波動(dòng)的形式向外傳遞。

　　這個(gè)動(dòng)圖告訴我們扭曲的時(shí)空以波動(dòng)的形式向外傳遞，一份能量以波動(dòng)的形式向外拋射便產(chǎn)生了引力波。愛(ài)因斯坦在提出廣義相對(duì)論的時(shí)候，就給出了一個(gè)理論預(yù)言：引力波存在。但是當(dāng)時(shí)基于這個(gè)理論計(jì)算出它非常小，所以愛(ài)因斯坦本人也認(rèn)為我們可能無(wú)法探測(cè)到它。

　　在過(guò)去的一百年中，人類(lèi)科學(xué)探索的腳步從來(lái)都沒(méi)有停止過(guò)，很多預(yù)言都得到了證實(shí)，比如光線的彎曲、水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)、引力紅移現(xiàn)象等等，可以說(shuō)廣義相對(duì)論得到了很全面的驗(yàn)證，唯獨(dú)引力波一直停留在科學(xué)家的視線之外。

　　雖然從上世紀(jì)50年代末期，人們已經(jīng)開(kāi)始嘗試用工具去探索引力波，但是一直沒(méi)有成功。一直到2016年初，位于美國(guó)的LIGO合作組宣布他們探測(cè)到了兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的引力波，震動(dòng)了全世界，因?yàn)閺V義相對(duì)論的最后一片拼圖終于被拼上了。

　　LIGO是怎樣探測(cè)到引力波的？首先我們要搞清楚引力波到來(lái)的時(shí)候，我們的時(shí)空以及時(shí)空上的物質(zhì)會(huì)發(fā)生什么樣的變化，大家請(qǐng)看這個(gè)動(dòng)圖，當(dāng)一束引力波穿過(guò)時(shí)空的時(shí)候，時(shí)空會(huì)怎樣改變。它會(huì)在一個(gè)方向拉伸，另外一個(gè)方向壓縮。

　　我們知道宇宙中所有的物質(zhì)都是依附于時(shí)空存在的，當(dāng)時(shí)空被壓縮和拉伸的時(shí)候，物體也會(huì)跟著發(fā)生形變。所以形象地說(shuō)，如果引力波向你迎面?zhèn)鱽?lái)，你想變瘦、變高就不再是夢(mèng)想了。但是緊接著你又會(huì)變矮、變胖。

　　LIGO正是利用這個(gè)效應(yīng)探測(cè)到了引力波，LIGO用了兩個(gè)四千米長(zhǎng)的垂直的懸臂，在懸臂中間有兩束由分光鏡分開(kāi)的激光，它們是處于干涉狀態(tài)的，如果沒(méi)有引力波存在，激光會(huì)一直在懸臂的鏡子里反射，接觸面板上并不會(huì)接收到任何的信號(hào)，但當(dāng)引力波到來(lái)的時(shí)候，引力波會(huì)在一個(gè)懸臂拉伸，另外一個(gè)懸臂壓縮，懸臂當(dāng)中的激光會(huì)隨之發(fā)生變化，本來(lái)兩束干涉相消的激光不再干涉相消，我們就探測(cè)到了引力波的信號(hào)。

（視頻來(lái)自 LIGO實(shí)驗(yàn)室）

　　在視頻我們以?xún)深w中子星的并合為例，向大家展示。兩個(gè)中子星繞轉(zhuǎn)了，將有引力波釋放出來(lái)。這些網(wǎng)格就是形象地描述時(shí)空的結(jié)構(gòu)，引力波出來(lái)之后，大家會(huì)看到它們?cè)睫D(zhuǎn)越快，最后并合了，引力波被拋射出來(lái)。

　　這是LIGO的兩個(gè)相互垂直的懸臂，懸臂中間有兩束激光，由于激光干涉相消，右邊的面板上看不到信號(hào)。一旦出現(xiàn)了引力波，面板上將會(huì)出現(xiàn)激光干涉不相消的信號(hào)，于是我們就探測(cè)到了它。

　　根據(jù)LIGO探測(cè)到的信號(hào)，我們地球的形變到底有多少呢？質(zhì)子直徑的萬(wàn)分之一。這就是為什么人類(lèi)探索了60年，才得以探測(cè)到它，它太微小了。LIGO因?yàn)檫@件重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)被授予2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，世界為之而歡呼。

　　但我們要看到它的背后到底蘊(yùn)含著什么意義，LIGO探測(cè)到引力波為什么這么重要？原因就是人類(lèi)又重新掌握了一種全新的認(rèn)識(shí)宇宙的手段和方法。

　　掌握了電磁波的技術(shù)以后，人類(lèi)又從光學(xué)波段一直把望遠(yuǎn)鏡推廣到紅外、紫外、射電X-Ray Gamma-Ray波段等等，我們可以在電磁波所有的波段探測(cè)我們的宇宙。電磁波的掌握就好比人類(lèi)生出了一雙眼睛，我們開(kāi)始看宇宙，而且看得越來(lái)越清楚。

　　引力波技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，是完全獨(dú)立于電磁波之外的一種新型的技術(shù)，好像人類(lèi)又生出了一雙耳朵，我們已經(jīng)有了眼睛，再生出兩個(gè)耳朵，我們可以聽(tīng)到更多來(lái)自宇宙深處的信號(hào)，可以更好地探究我們的世界。

　　既然人們探索到了引力波，聽(tīng)到了第一串聲音，人們就想，怎樣才能聽(tīng)得更遠(yuǎn)，聽(tīng)得最遠(yuǎn)的聲音會(huì)是什么樣子的？最遠(yuǎn)的聲音來(lái)自于哪兒呢？在宇宙誕生的那一瞬間，在暴脹的過(guò)程當(dāng)中，就會(huì)發(fā)出一種引力波，我們稱(chēng)之為原初引力波。這起源于當(dāng)代宇宙學(xué)的熱爆炸理論，人們認(rèn)為宇宙起源于一個(gè)很小的體積，暴脹的過(guò)程就是一個(gè)時(shí)空劇烈增長(zhǎng)的過(guò)程，在圖的左邊用黃色區(qū)域標(biāo)出來(lái)的。

　　在暴脹的過(guò)程當(dāng)中，時(shí)空會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，時(shí)空自身的漲落就會(huì)產(chǎn)生引力波，這就是我們要探聽(tīng)的宇宙的初啼，即原初引力波。形象地說(shuō)，原初引力波就是宇宙在誕生的時(shí)候突然喊了一聲，這個(gè)聲音一直消之不去，就像人們?cè)诖笊嚼锇l(fā)出聲音，回聲一直在山谷中間回蕩一樣，宇宙的第一聲啼哭也會(huì)形成一個(gè)背景的聲音，一直在我們的宇宙中存在，隨著宇宙的演化不斷在紅移，越來(lái)越微弱，但是它一直存在。

　　我們一旦探索到了原初引力波，就能反推到宇宙誕生的時(shí)候，到底是怎樣一個(gè)動(dòng)力學(xué)，就可以研究宇宙的起源。

　　到今天宇宙的初啼的信號(hào)已經(jīng)變得非常地微弱，再用LIGO那種懸臂的方式探測(cè)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，因?yàn)槲覀兊挠钪嬉呀?jīng)演化了138億年，到今天這個(gè)信號(hào)已經(jīng)非常地微弱，如果我們?cè)儆脩冶鄣姆椒ㄌ綔y(cè)它，可能這個(gè)懸臂要長(zhǎng)到宇宙這么大的尺度。

　　所以我們需要一種全新的探測(cè)手段，我們需要到宇宙中尋找一種古老的化石，這種古老的化石在空間中有一種特殊的分布，這個(gè)分布可能是由原初引力波造成的。因此我們?nèi)ゾ_地測(cè)量化石在宇宙中的分布，就可以尋找原初引力波的蛛絲馬跡。

　　這種神秘的化石是什么呢？它就是宇宙微波背景輻射光子，我們稱(chēng)之為CMB光子。到底什么是CMB？它是怎么形成的？為什么說(shuō)它是宇宙留下來(lái)的神秘的化石？

　　這要從宇宙的熱力史說(shuō)起，這個(gè)圖描述了宇宙的演化，是從小到大的一個(gè)過(guò)程。早期的宇宙是非常炙熱的，它并不像我們今天看到的很有序的樣子，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在看到的宇宙已經(jīng)是冷卻下來(lái)的狀態(tài)。早期的宇宙就像一鍋沸騰的開(kāi)水一樣，宇宙的演化過(guò)程就是這鍋開(kāi)水逐漸降溫的過(guò)程。

　　這鍋開(kāi)水特別神奇，在宇宙不同的時(shí)間，它的溫度或能標(biāo)不一樣的時(shí)候，它里面的成分也不一樣，宇宙有一個(gè)特殊的時(shí)刻，就是宇宙在38萬(wàn)歲的時(shí)候，會(huì)迎來(lái)一個(gè)再?gòu)?fù)合時(shí)期，就是圖上用紅色的線標(biāo)出來(lái)的時(shí)期。

　　在再?gòu)?fù)合時(shí)期到來(lái)之前，宇宙中主要的成分是光子、電子、質(zhì)子、中子，這些成分頻繁地發(fā)生散射，它們緊密地耦合在一起，電子和光子每天形影不離。但隨著再?gòu)?fù)合時(shí)期的到來(lái)，意味著當(dāng)時(shí)的宇宙要開(kāi)始形成中性的原子，大家都學(xué)過(guò)物理，知道原子中間有原子核，原子核是由中子和質(zhì)子構(gòu)成，原子核外面是繞著它轉(zhuǎn)的電子。

　　中性原子核的形成就導(dǎo)致電子被中性的原子束縛起來(lái)了，光子和電子本來(lái)是形影不離的好朋友，但是電子突然消失了，它被中性的原子抓走了，光子就失去了它的好朋友，它沒(méi)有碰撞對(duì)象了，沒(méi)有耦合對(duì)象了，于是它就一直在宇宙當(dāng)中孤獨(dú)地存在下去、自由傳遞，就形成了我們今天想要的這樣一種神秘的化石。

　　也就是說(shuō)宇宙在再?gòu)?fù)合時(shí)期，38萬(wàn)歲的時(shí)候會(huì)給我們留下這樣一種剩余的熱輻射，我們就是要觀測(cè)這種熱輻射，所以我們可以一直追溯到電子和光子在最后一次發(fā)生散射的那一時(shí)刻。

　　我們用白色的圈表示宇宙當(dāng)中光子和電子最后一次發(fā)生散射的那一時(shí)刻，我們把它叫自由散射面。

　　在最后散射面上，我們以電子為中心去看，如果宇宙中不存在原初引力波，所有的就都是均勻的，那么在電子周?chē)乃膫€(gè)方向可以用四個(gè)黃圈描述，這四個(gè)黃圈分布的光子是完全一樣的。

　　但我們知道有原初引力波的存在，原初引力波的存在會(huì)使時(shí)空當(dāng)中形成引力勢(shì)阱，會(huì)改變時(shí)空的結(jié)構(gòu)，就會(huì)使得某一個(gè)方向的光子分布多一些，我們用紅色來(lái)表示，這個(gè)地方的溫度顯得高一些，在垂直的方向，這個(gè)顏色會(huì)變藍(lán)，就是溫度顯得低一些。

　　在這種特殊分布的光子的情況下，電子和光子發(fā)生了一次散射，就會(huì)在CMB的光子上留下印跡，CMB光子就是我們要找的化石，我們的化石上出現(xiàn)了一個(gè)特殊的印跡，我們?nèi)フ疫@個(gè)印跡，我們就可以追尋到原初引力波。

　　我們現(xiàn)在要開(kāi)始追尋這種化石，那首先我們要了解這個(gè)化石到底是什么樣子，多不多？好不好探測(cè)？圖中我們用紅色的箭頭來(lái)描述我們周?chē)@種化石的分布情況。

　　我們可以看到我們的地球幾乎生活在CMB的光子海洋里面，大家會(huì)感覺(jué)好像很多，伸手就能抓到它，每立方厘米有400-500個(gè)，確實(shí)很多。但這個(gè)光子并不像想象中那么容易抓住，因?yàn)樗浅＠洹?/p>

　　在退耦的時(shí)候，它的能量只有1eV（電子伏特），演化到今天，這種光子平均的溫度是2.73K（開(kāi)爾文），即零下270度，是很冷的一種光子。我們?nèi)ヌ綔y(cè)它的熱輻射的時(shí)候，要觀測(cè)它的輻射強(qiáng)度，它的輻射強(qiáng)度在地球上探測(cè)大概是每平方米3.3微瓦。

　　對(duì)一個(gè)正常的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，我們的體溫是37度，我們的身體不停地向外發(fā)生熱輻射，輻射強(qiáng)度是每平方米500瓦特，跟3.3微瓦比的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這種化石的輻射強(qiáng)度只有人體輻射強(qiáng)度的一億分之一，非常地微弱，很難探測(cè)到它。

　　因此我們需要一種非常敏感的探測(cè)器，它有多敏感呢？我給大家舉一個(gè)例子。我們要探測(cè)的化石是一個(gè)熱輻射，大家知道一個(gè)火堆會(huì)不停地往外發(fā)生熱輻射，如果有一個(gè)火堆，把你的眼睛蒙上，你的手就是一個(gè)非常靈敏的探測(cè)器，你一伸手就能知道火在哪兒，探測(cè)到它。

　　但如果用你的手再去感知你身體的溫度的時(shí)候，比如說(shuō)有人發(fā)燒的時(shí)候，用手去測(cè)量體溫已經(jīng)不夠了，這個(gè)時(shí)候我們就需要用溫度計(jì)來(lái)測(cè)量身體體溫的漲落。所以對(duì)于零下270度微弱的熱輻射，我們需要超級(jí)靈敏的探測(cè)器。

　　幸運(yùn)的是，通過(guò)對(duì)超導(dǎo)材料的研究我們已經(jīng)掌握了一種超導(dǎo)邊緣相變探測(cè)器，我們稱(chēng)之為T(mén)ES探測(cè)器。這種探測(cè)器非常敏感，它可以探測(cè)到毫開(kāi)爾文量級(jí)甚至以下的溫度的漲落，所以我們把它放在望遠(yuǎn)鏡里面做成微波望遠(yuǎn)鏡，我們就可以用它來(lái)測(cè)量這種剩余的輻射，也就是我們所說(shuō)的CMB光子。

（資料來(lái)自 約翰霍普金斯大學(xué)克里格文理學(xué)院）

　　我們的項(xiàng)目組叫作阿里原初引力波探測(cè)計(jì)劃，正是要在阿里地區(qū)放置一臺(tái)靈敏的望遠(yuǎn)鏡來(lái)探測(cè)原初引力波。動(dòng)圖里是我們的望遠(yuǎn)鏡工作的過(guò)程，就像電視調(diào)頻一樣，它經(jīng)過(guò)一系列的尋找，最終會(huì)集中到微波波段。它的眼睛里面看到的都是CMB波段的信號(hào)，然后它會(huì)進(jìn)行掃描，測(cè)量出這種化石在空間中的分布，我們?cè)僭谶@個(gè)分布圖上去尋找原初引力波的蛛絲馬跡。

　　現(xiàn)有的地面原初引力波探測(cè)基本都分布在南半球，在智利的阿塔卡馬沙漠、美國(guó)南極極點(diǎn)就有幾個(gè)。我們的阿里計(jì)劃是北半球第一個(gè)地面原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)，也是我國(guó)的第一個(gè)地面原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)，我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)北半球第一次對(duì)天空的掃描，給出最精確的測(cè)量。

　　在地球上開(kāi)展這種原初引力波探測(cè)會(huì)受地球附近大氣層的影響，所以它對(duì)臺(tái)址條件的要求非常苛刻，我們需要臺(tái)址足夠高，大氣層足夠稀薄，而且大氣要足夠干燥，使得它在微波波段的透射率非常強(qiáng)，讓信號(hào)能夠投射過(guò)來(lái)，同時(shí)要使空氣產(chǎn)生的噪聲足夠小。所以我們一定要上到高處去，西藏阿里地區(qū)地處喜馬拉雅山脈，大氣又很干燥，給我們提供了一個(gè)絕佳的觀測(cè)條件。所以我們一定要登上世界屋脊，才有可能探測(cè)到原初引力波。

　　這是我們整個(gè)計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)，2018年年底，位于海拔5250米高度的觀測(cè)艙將建好，2020年底，我們的望遠(yuǎn)鏡就會(huì)被研制出來(lái)，開(kāi)始對(duì)天空的第一次觀測(cè)。

　　這是我們對(duì)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)前期預(yù)言，我們希望通過(guò)我們的觀測(cè)能使現(xiàn)有的探測(cè)精度提高10倍左右的量級(jí)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我和我們課題組的所有成員付出了非常艱辛的努力，從前期臺(tái)址的選取到中后期實(shí)驗(yàn)儀器的擺放等等，每一次工作都讓人記憶猶新。

　　我們?cè)?jīng)登到海拔近6000米的山峰，在那里積雪是終年不化的，我們經(jīng)常穿梭在無(wú)人區(qū)，去尋找臺(tái)址的時(shí)候，經(jīng)常要爬到非常高的地方，有很多同事渴的時(shí)候要吃地上的積雪來(lái)解渴。雖然很艱苦，但是我們也看到了喜馬拉雅山脈上最險(xiǎn)和最峻的風(fēng)景，所以我們覺(jué)得一切的付出都是值得的。

　　謝謝大家對(duì)我們阿里計(jì)劃的關(guān)注。

　　SELF講壇全稱(chēng)“SELF格致論道”講壇，是中國(guó)科學(xué)院全力推出的公益講壇，由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心和中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播局聯(lián)合主辦。SELF是 Science, Education, Life, Future的縮寫(xiě)，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來(lái)的發(fā)展，嘗試打破過(guò)去純粹以“知識(shí)傳播”為主的科普形式，專(zhuān)注于思想的傳播，力圖從思想的源頭上促進(jìn)公眾參與科學(xué)的積極性。