阿里實(shí)驗(yàn)：尋找原初引力波

曹玲

人類發(fā)現(xiàn)引力波這件事情，并沒有讓麻省理工學(xué)院物理系研究員蘇萌感到特別激動(dòng)。

這種事情，2014年他已經(jīng)經(jīng)歷過一回。

2014年3月17日，哈佛史密森天體物理研究中心，BICEP項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一、蘇萌曾經(jīng)的博士生導(dǎo)師約翰·科瓦奇（John Kovac）開始介紹首次發(fā)現(xiàn)的原初引力波信號(hào)的觀測(cè)結(jié)果，以及專門設(shè)計(jì)建造的核心探測(cè)裝置：第二代BICEP南極望遠(yuǎn)鏡。

在不到一天的時(shí)間里，全球超過350萬人嘗試登錄哈佛網(wǎng)絡(luò)直播平臺(tái)，希望得知新聞發(fā)布會(huì)的細(xì)節(jié)，以至于哈佛完善的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)徹底崩潰。

對(duì)此，蘇萌曾滿懷激情地寫道：“作為宇宙中稀有的智慧生命的我們，窺探到了宇宙誕生后最初的一瞬間留給后人的信息——請(qǐng)相信我，作為智慧生命的種群，生活在這樣的一個(gè)宇宙中，真的是一件非常幸福，更是幸運(yùn)的事情。”

但很快，有科學(xué)家質(zhì)疑BICEP2探測(cè)到的引力波信號(hào)有可能是星際塵埃產(chǎn)生的噪音信號(hào)，引得學(xué)術(shù)界一片嘩然。2014年9月，歐洲宇航局公布了普朗克（Planck）衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，他們的數(shù)據(jù)支持星際塵埃的有關(guān)質(zhì)疑。2015年2月，歐洲物理學(xué)家小組宣布通過普朗克衛(wèi)星的調(diào)查，原初引力波的發(fā)現(xiàn)確實(shí)是個(gè)失誤。為此，BICEP2整個(gè)工作組的聲譽(yù)遭受了重大影響。

“這是一個(gè)不好的消息，原初引力波并沒有找到;對(duì)于中國(guó)來說，這可能又是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，既然原初引力波還沒有找到，我們就還有希望。”蘇萌說。

2014年5月，在美國(guó)發(fā)布發(fā)現(xiàn)原初引力波不久，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的張新民研究員等人，就提出了發(fā)展中國(guó)的原初引力波項(xiàng)目——阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。該項(xiàng)目計(jì)劃在西藏阿里地區(qū)獅泉河鎮(zhèn)南30公里山脊頭部的阿里天文臺(tái)進(jìn)行引力波觀測(cè)。阿里天文臺(tái)海拔5100米，是北半球首個(gè)海拔超過5000米的天文臺(tái)。這里云量少、水汽低、透明度高、視寧度條件好，這些優(yōu)點(diǎn)使阿里成為天文學(xué)家眼中“仰望星空”的最佳點(diǎn)。

為什么已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了雙黑洞產(chǎn)生的引力波，還要去尋找原初引力波？原初引力波又是什么？

今天我們對(duì)宇宙最基本的認(rèn)識(shí)是，宇宙起源于138億年前的一次大爆炸。美劇《生活大爆炸》的片頭描述了大爆炸理論：我們整個(gè)宇宙誕生之初溫度密度極高，隨著不斷地膨脹，宇宙慢慢地冷卻。傳統(tǒng)的大爆炸理論描述了宇宙如何擴(kuò)張，如何冷卻，物質(zhì)如何凝結(jié)并構(gòu)成了星系與結(jié)構(gòu)。但是它并未提及大爆炸本身，并沒有告訴我們什么爆炸了，爆炸之前發(fā)生了什么。

1980，32歲的美國(guó)科學(xué)家阿蘭·古斯（Alan Guth）提出了一個(gè)新的理論——宇宙暴脹，對(duì)宇宙學(xué)有著深遠(yuǎn)的影響。

提出宇宙暴脹的想法之后，他想到最好的普及方法就是到處做報(bào)告。1980年春天，只是個(gè)博士后的阿蘭打破了傳統(tǒng)的宇宙形成理論，向前追溯宇宙的形成。他的演講題目是《大爆炸后的10-35秒》。

原始的宇宙大爆炸模式存在一些缺陷，尤其是宇宙形成的第一瞬間，究竟發(fā)生了什么，完全是個(gè)謎，阿蘭的理論完美地解釋了大爆炸的瞬間，引入了一個(gè)稱為暴脹的新要素。暴脹導(dǎo)致宇宙在進(jìn)入慢速擴(kuò)展之前，以驚人的速度擴(kuò)展，這或許是宇宙演化歷史中最不可思議的一瞬。

暴脹論解釋了什么促使宇宙發(fā)生了當(dāng)前巨大的擴(kuò)張，宇宙開始的時(shí)間大概發(fā)生在大爆炸發(fā)生瞬間之后的10-37秒?！斑@個(gè)時(shí)間如此短暫，以至于我用了一些時(shí)間才讓自己相信我講的這些東西都是有道理的?！彼贐BC拍攝的紀(jì)錄片《尋找引力波》中說道。

典型宇宙最初大小約10-24厘米寬，比一個(gè)質(zhì)子還要小10億多倍。暴脹結(jié)束后，宇宙的大小約為1厘米。在那之后它從1厘米發(fā)展到了如今的宇宙。暴脹論解釋了一些重大問題，為什么我們的宇宙如此之大，呈現(xiàn)出近乎完全扁平的幾何結(jié)構(gòu)？為什么如此大的宇宙，各方面如此均衡？阿蘭的理論也預(yù)示著，在早期的宇宙中存在引力波。因?yàn)檫@種引力波產(chǎn)生于宇宙誕生之初，人們給它起名叫原初引力波。

之后幾十年，暴脹論的變化層出不窮。上世紀(jì)90年代，暴脹論的第一個(gè)證據(jù)出現(xiàn)了，被送到太空的一系列衛(wèi)星對(duì)大爆炸的余輝進(jìn)行了新的測(cè)量，觀測(cè)結(jié)果表明和暴脹論的預(yù)測(cè)完全吻合。

暴脹論最重要的預(yù)測(cè)是時(shí)間開端即出現(xiàn)的引力波。“實(shí)驗(yàn)證據(jù)非常重要，能否發(fā)現(xiàn)原初引力波可以驗(yàn)證暴脹論到底是正確還是錯(cuò)誤的理論?！?/p>

發(fā)現(xiàn)引力波將為整個(gè)暴脹論提供確鑿的證據(jù)，暴脹論只預(yù)測(cè)出原初引力波，但是并未說明引力波到底多大。

當(dāng)人們談?wù)摯蟊ㄒ鸬囊Σ〞r(shí)，通常認(rèn)為它是傳遍宇宙的巨大的沖擊波，這是錯(cuò)誤的。暴脹產(chǎn)生的引力波屬于量子力學(xué)的范疇，它的波長(zhǎng)非常的小，用望遠(yuǎn)鏡可以找到證據(jù)。

尋找這種引力波信號(hào)的方式是研究宇宙微波背景輻射，這種輻射基本是大爆炸的余輝，隨著宇宙冷卻釋放出來，如今這種極其微弱的電磁波，依然充斥在整個(gè)宇宙中。這是宇宙中最早的光，它給了我們大爆炸發(fā)生后約30萬年前的宇宙印象。如果引力波存在于早期的宇宙中，將會(huì)影響這些光波的方向，也就是所謂的偏振。

宇宙微波背景輻射有偏振，它會(huì)在這種偏振中產(chǎn)生一種特定的漩渦模式，被稱為B模式，畫出來有點(diǎn)像風(fēng)車的形狀，這是引力波的獨(dú)有模式。引力波拉伸和壓縮空間，會(huì)在大爆炸的余輝（宇宙微波背景）中留下這種模式的印記。如果這種B模式真的存在，它會(huì)是宇宙歷史上第一瞬間派來的、不可思議的強(qiáng)大信使。尋找爆炸產(chǎn)生的引力波變成了尋找這種B模式，如果暴脹理論是正確的，就會(huì)有B模式等待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

事情似乎變得很簡(jiǎn)單：只要建造最好的望遠(yuǎn)鏡來找到B模式信號(hào)，就能證明原初引力波的存在。這正是科瓦奇和他的伙伴們十幾年來一直在做的事情。2002年左右，科瓦奇組建了一個(gè)20人左右的團(tuán)隊(duì)，提議在南極的極點(diǎn)附近建設(shè)一臺(tái)名為“BICEP”的望遠(yuǎn)鏡。這是世界上首次專門針對(duì)搜尋原初引力波產(chǎn)生的B模式信號(hào)而建造的探測(cè)裝置。由于投資相對(duì)較小，科學(xué)目標(biāo)又非常重要，BICEP項(xiàng)目很快就得到了批準(zhǔn)。

為什么科學(xué)家要不遠(yuǎn)萬里去南極尋找原初引力波？

考慮到宇宙微波背景輻射的信號(hào)特征，以及來自天空中其他輻射源的影響，1000億～3000億赫茲的頻率是最佳的觀測(cè)窗口。這個(gè)波段的電磁波會(huì)被大氣中的水蒸氣吸收，同時(shí)水蒸氣也會(huì)發(fā)射大量類似頻率的信號(hào)，極大地影響觀測(cè)。

相對(duì)來說，南極是個(gè)很好的觀測(cè)位置。南極觀測(cè)站的位置海拔約3000米，空氣中液態(tài)的水基本變成了固態(tài)，停留在地面上。即便在空氣中，水也是以小冰晶的方式存在，整個(gè)大氣在微波波段變得相當(dāng)同名，提供了一個(gè)地球上最好的觀測(cè)站點(diǎn)。

據(jù)阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃負(fù)責(zé)人、中科院高能所研究員張新民介紹，除了南極之外，地球上能找到的絕佳觀測(cè)點(diǎn)還有三個(gè)：南半球有智利阿塔卡馬沙漠的高山之巔、北半球有格陵蘭島和我國(guó)西藏阿里。他分析，阿塔卡馬沙漠和阿里都處于中緯度，掃過的天區(qū)面積比高緯度地區(qū)要大很多，未來阿里將成為北半球天區(qū)第一個(gè)地面觀測(cè)點(diǎn)，開啟北天區(qū)原初引力波觀測(cè)的新窗口，與南半球相呼應(yīng)。目前，美國(guó)已經(jīng)在南極和智利進(jìn)行了引力波觀測(cè)。如果不考慮成本的話，也可以把探測(cè)器發(fā)射到太空中，比如美國(guó)航空航天局于2001年發(fā)射的威爾金森探測(cè)器，以及歐洲空間局于2009年發(fā)射的普朗克衛(wèi)星。

BICEP項(xiàng)目經(jīng)過緊張的準(zhǔn)備，于2005年南極的夏天正式建造，2006年開始采集科學(xué)數(shù)據(jù)。由于條件有限，只有在南極每年極晝期間大約3個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，才有機(jī)會(huì)運(yùn)送給養(yǎng)，修復(fù)或者升級(jí)BICEP望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)時(shí)候他們會(huì)暫停觀測(cè)，進(jìn)行緊張的工程建設(shè)，比如加注大量的液氦把整個(gè)望遠(yuǎn)鏡冷卻到-270℃，來降低探測(cè)時(shí)的噪音。

在余下的極晝以及整個(gè)極夜期間，BICEP會(huì)對(duì)一個(gè)特定的天區(qū)進(jìn)行不間斷觀測(cè)。在極夜到來之前，絕大多數(shù)BICEP成員都會(huì)撤出南極，只留下工程師斯蒂芬·里克特在那里待上9個(gè)月，負(fù)責(zé)望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行和維護(hù)。每天他都要步行1公里多路去望遠(yuǎn)鏡那里工作，戶外溫度在-40℃至-73℃，冬季6個(gè)月沒有太陽，天上只有美麗的星星和極光，他卻說那是世界上最美的一條上班道路。

從1992年起，科瓦奇每年都要去南極建設(shè)宇宙微波背景輻射探測(cè)裝置，幾乎沒和妻子家人一起度過圣誕節(jié)。

第一代BICEP工作到2009年，之后進(jìn)行升級(jí)。第二代儀器BICEP2觀測(cè)效率由于探測(cè)器技術(shù)上突飛猛進(jìn)，一下提高了近10倍。蘇萌是科瓦奇在哈佛大學(xué)的第一屆學(xué)生，2008年加入BICEP團(tuán)隊(duì)之后，主要負(fù)責(zé)處理分析第一代BICEP望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)，一直沒有去過南極。

辛苦的工作并沒有換來巨大的成果?！捌绽士诵l(wèi)星的數(shù)據(jù)表明，BICEP觀測(cè)的南極最干凈的一片天區(qū)，被銀河系自身的塵埃污染了。這些小顆粒本身也輻射微波，塵埃造成的輻射讓數(shù)據(jù)的可靠度下降。BICEP的研究面臨一個(gè)困難，它被宇宙塵埃擋住了。”阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃成員、高能物理研究所副研究員李虹說。

那么，北半球有沒有銀河系自身輻射少一點(diǎn)、更干凈的一個(gè)天區(qū)來尋找引力波呢？

普朗克衛(wèi)星的觀測(cè)表明，北半球可見的天區(qū)有很多地方是挺干凈的，可能存在透過銀河系觀測(cè)宇宙的更好窗口?！拔覀儸F(xiàn)在有一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，機(jī)會(huì)就是我們有青藏高原和阿里天文臺(tái)。我們很可能有一個(gè)更干凈的窗口，率先發(fā)現(xiàn)原初引力波。雖然我們和國(guó)外的研究可能存在一定差距，但是至少整個(gè)北天區(qū)只能通過阿里觀測(cè)站來尋找引力波，這是一個(gè)天時(shí)、地利、人和共存的機(jī)會(huì)，我們正在努力去促成這件事。”蘇萌覺得這是一個(gè)開展引力波探測(cè)千載難逢的好機(jī)會(huì)，他忙于阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的籌備工作，計(jì)劃把工作的重心從美國(guó)轉(zhuǎn)到中國(guó)來?！澳壳皩ふ以跻Σǖ膶?shí)驗(yàn)主要在南半球，即南極和智利，阿里天文臺(tái)加入后，即可實(shí)現(xiàn)全天覆蓋。”“以前我們一直討論可不可以去丹麥的格陵蘭島進(jìn)行觀測(cè)，那里靠近北極，海拔3000米，但是一個(gè)寸草不生的荒原，工作環(huán)境并不比阿里好，而且阿里的可觀測(cè)天區(qū)是格陵蘭島的兩倍?！碧K萌說，“目前，很多國(guó)家的研究小組都希望通過阿里這個(gè)平臺(tái)，和中國(guó)進(jìn)行國(guó)際合作。”

張新民也屢次表示，按照計(jì)劃，阿里實(shí)驗(yàn)預(yù)期5年就可以出成果，造價(jià)約1億元。這個(gè)數(shù)字，相比其他基礎(chǔ)科研的投入而言，不算大數(shù)目。

“我們現(xiàn)在有一個(gè)很好的契機(jī)去了解宇宙是如何誕生的，能夠回答這個(gè)問題無論是從哲學(xué)層面還是科學(xué)層面，都是一個(gè)很大的進(jìn)步?！碧K萌說。