科普文章
您當(dāng)前的位置:首頁 > 科學(xué)傳播 > 科普文章
李虹:在世界屋脊傾聽宇宙的初啼
文章來源:SELF講壇  2018-09-05
】 【】 【

  宇宙的誕生一直吸引著人類探索的目光,引力波的發(fā)現(xiàn)終于拼好了廣義相對論的版圖,而他們的腳步從未停下,他們登上了世界屋脊,用引力波探聽宇宙的起源,傾聽宇宙的初啼。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劃的故事。

[video:李虹:在世界屋脊傾聽宇宙的初啼]

 

李虹 中科院高能物理研究所研究員

  以下內(nèi)容為李虹演講實錄:

  大家下午好!我是李虹,來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)和原初引力波探測方面的研究和體會。我今天給自己的任務(wù)就是用最接地氣的語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“站在世界屋脊聆聽宇宙的初啼”。我個人非常喜歡這個題目,因為它告訴我們,我們要探索的這個神秘的信號來自宇宙,這個信號是在宇宙誕生的時刻就發(fā)出的,它是一件非??岬氖虑?。

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

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

  宇宙的初啼到底是什么?我們怎么去探聽呢?這就是我們今天要講的重點內(nèi)容——探索原初引力波。

  下面我們一起開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轉(zhuǎn)是因為地球受到了來自太陽的萬有引力的相互作用。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,愛因斯坦提出的廣義相對論是更為基礎(chǔ)的理論,在廣義相對論中并不存在絕對的萬有引力,地球為什么繞著太陽轉(zhuǎn)?因為太陽相對于地球來說是一個大質(zhì)量的天體,由于這個大質(zhì)量天體的存在,我們的宇宙、時空發(fā)生了彎曲,地球在這樣一個彎曲的時空當(dāng)中走了一條最經(jīng)濟的道路,沿著側(cè)地線運動,就形成了我們看到的地球繞著太陽轉(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)生了一些引力擾動事件,比如說兩個大質(zhì)量的天體,兩個黑洞或兩個中子星發(fā)生了相互的繞轉(zhuǎn),并且越轉(zhuǎn)越快,最后它們要并合,在這個過程中大質(zhì)量天體會導(dǎo)致時空的扭曲,當(dāng)它們加速運動時,扭曲的時空會以波動的形式向外傳遞。

 

  這個動圖告訴我們扭曲的時空以波動的形式向外傳遞,一份能量以波動的形式向外拋射便產(chǎn)生了引力波。愛因斯坦在提出廣義相對論的時候,就給出了一個理論預(yù)言:引力波存在。但是當(dāng)時基于這個理論計算出它非常小,所以愛因斯坦本人也認(rèn)為我們可能無法探測到它。

  在過去的一百年中,人類科學(xué)探索的腳步從來都沒有停止過,很多預(yù)言都得到了證實,比如光線的彎曲、水星近日點的進(jìn)動、引力紅移現(xiàn)象等等,可以說廣義相對論得到了很全面的驗證,唯獨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)開始嘗試用工具去探索引力波,但是一直沒有成功。一直到2016年初,位于美國的LIGO合作組宣布他們探測到了兩個黑洞并合產(chǎn)生的引力波,震動了全世界,因為廣義相對論的最后一片拼圖終于被拼上了。

  LIGO是怎樣探測到引力波的?首先我們要搞清楚引力波到來的時候,我們的時空以及時空上的物質(zhì)會發(fā)生什么樣的變化,大家請看這個動圖,當(dāng)一束引力波穿過時空的時候,時空會怎樣改變。它會在一個方向拉伸,另外一個方向壓縮。

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

  LIGO正是利用這個效應(yīng)探測到了引力波,LIGO用了兩個四千米長的垂直的懸臂,在懸臂中間有兩束由分光鏡分開的激光,它們是處于干涉狀態(tài)的,如果沒有引力波存在,激光會一直在懸臂的鏡子里反射,接觸面板上并不會接收到任何的信號,但當(dāng)引力波到來的時候,引力波會在一個懸臂拉伸,另外一個懸臂壓縮,懸臂當(dāng)中的激光會隨之發(fā)生變化,本來兩束干涉相消的激光不再干涉相消,我們就探測到了引力波的信號。

(視頻來自 LIGO實驗室)

  在視頻我們以兩顆中子星的并合為例,向大家展示。兩個中子星繞轉(zhuǎn)了,將有引力波釋放出來。這些網(wǎng)格就是形象地描述時空的結(jié)構(gòu),引力波出來之后,大家會看到它們越轉(zhuǎn)越快,最后并合了,引力波被拋射出來。

  這是LIGO的兩個相互垂直的懸臂,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。一旦出現(xiàn)了引力波,面板上將會出現(xiàn)激光干涉不相消的信號,于是我們就探測到了它。

  根據(jù)LIGO探測到的信號,我們地球的形變到底有多少呢?質(zhì)子直徑的萬分之一。這就是為什么人類探索了60年,才得以探測到它,它太微小了。LIGO因為這件重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)被授予2017年諾貝爾物理學(xué)獎,世界為之而歡呼。

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

  掌握了電磁波的技術(shù)以后,人類又從光學(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我們的宇宙。電磁波的掌握就好比人類生出了一雙眼睛,我們開始看宇宙,而且看得越來越清楚。

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

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

  在暴脹的過程當(dāng)中,時空會產(chǎn)生擾動,時空自身的漲落就會產(chǎn)生引力波,這就是我們要探聽的宇宙的初啼,即原初引力波。形象地說,原初引力波就是宇宙在誕生的時候突然喊了一聲,這個聲音一直消之不去,就像人們在大山里發(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形成一個背景的聲音,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候,到底是怎樣一個動力學(xué),就可以研究宇宙的起源。

  到今天宇宙的初啼的信號已經(jīng)變得非常地微弱,再用LIGO那種懸臂的方式探測已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了,因為我們的宇宙已經(jīng)演化了138億年,到今天這個信號已經(jīng)非常地微弱,如果我們再用懸臂的方法探測它,可能這個懸臂要長到宇宙這么大的尺度。

  所以我們需要一種全新的探測手段,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,這個分布可能是由原初引力波造成的。因此我們?nèi)ゾ_地測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,我們稱之為CMB光子。到底什么是CMB?它是怎么形成的?為什么說它是宇宙留下來的神秘的化石?

  這要從宇宙的熱力史說起,這個圖描述了宇宙的演化,是從小到大的一個過程。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,因為我們現(xiàn)在看到的宇宙已經(jīng)是冷卻下來的狀態(tài)。早期的宇宙就像一鍋沸騰的開水一樣,宇宙的演化過程就是這鍋開水逐漸降溫的過程。

  這鍋開水特別神奇,在宇宙不同的時間,它的溫度或能標(biāo)不一樣的時候,它里面的成分也不一樣,宇宙有一個特殊的時刻,就是宇宙在38萬歲的時候,會迎來一個再復(fù)合時期,就是圖上用紅色的線標(biāo)出來的時期。

  在再復(fù)合時期到來之前,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。但隨著再復(fù)合時期的到來,意味著當(dāng)時的宇宙要開始形成中性的原子,大家都學(xué)過物理,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了,光子和電子本來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,它沒有碰撞對象了,沒有耦合對象了,于是它就一直在宇宙當(dāng)中孤獨地存在下去、自由傳遞,就形成了我們今天想要的這樣一種神秘的化石。

  也就是說宇宙在再復(fù)合時期,38萬歲的時候會給我們留下這樣一種剩余的熱輻射,我們就是要觀測這種熱輻射,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,那么在電子周圍的四個方向可以用四個黃圈描述,這四個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使時空當(dāng)中形成引力勢阱,會改變時空的結(jié)構(gòu),就會使得某一個方向的光子分布多一些,我們用紅色來表示,這個地方的溫度顯得高一些,在垂直的方向,這個顏色會變藍(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)了一個特殊的印跡,我們?nèi)フ疫@個印跡,我們就可以追尋到原初引力波。

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

  我們可以看到我們的地球幾乎生活在CMB的光子海洋里面,大家會感覺好像很多,伸手就能抓到它,每立方厘米有400-500個,確實很多。但這個光子并不像想象中那么容易抓住,因為它非常冷。

  在退耦的時候,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(開爾文),即零下270度,是很冷的一種光子。我們?nèi)ヌ綔y它的熱輻射的時候,要觀測它的輻射強度,它的輻射強度在地球上探測大概是每平方米3.3微瓦。

  對一個正常的人類來說,我們的體溫是37度,我們的身體不停地向外發(fā)生熱輻射,輻射強度是每平方米500瓦特,跟3.3微瓦比的話,你會發(fā)現(xiàn)這種化石的輻射強度只有人體輻射強度的一億分之一,非常地微弱,很難探測到它。

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

  但如果用你的手再去感知你身體的溫度的時候,比如說有人發(fā)燒的時候,用手去測量體溫已經(jīng)不夠了,這個時候我們就需要用溫度計來測量身體體溫的漲落。所以對于零下270度微弱的熱輻射,我們需要超級靈敏的探測器。

  幸運的是,通過對超導(dǎo)材料的研究我們已經(jīng)掌握了一種超導(dǎo)邊緣相變探測器,我們稱之為TES探測器。這種探測器非常敏感,它可以探測到毫開爾文量級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,我們就可以用它來測量這種剩余的輻射,也就是我們所說的CMB光子。

(資料來自 約翰霍普金斯大學(xué)克里格文理學(xué)院)

  我們的項目組叫作阿里原初引力波探測計劃,正是要在阿里地區(qū)放置一臺靈敏的望遠(yuǎn)鏡來探測原初引力波。動圖里是我們的望遠(yuǎn)鏡工作的過程,就像電視調(diào)頻一樣,它經(jīng)過一系列的尋找,最終會集中到微波波段。它的眼睛里面看到的都是CMB波段的信號,然后它會進(jìn)行掃描,測量出這種化石在空間中的分布,我們再在這個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基本都分布在南半球,在智利的阿塔卡馬沙漠、美國南極極點就有幾個。我們的阿里計劃是北半球第一個地面原初引力波探測實驗,也是我國的第一個地面原初引力波探測實驗,我們的目標(biāo)是實現(xiàn)北半球第一次對天空的掃描,給出最精確的測量。

  在地球上開展這種原初引力波探測會受地球附近大氣層的影響,所以它對臺址條件的要求非??量?,我們需要臺址足夠高,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,讓信號能夠投射過來,同時要使空氣產(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,給我們提供了一個絕佳的觀測條件。所以我們一定要登上世界屋脊,才有可能探測到原初引力波。

  這是我們整個計劃的科學(xué)目標(biāo),2018年年底,位于海拔5250米高度的觀測艙將建好,2020年底,我們的望遠(yuǎn)鏡就會被研制出來,開始對天空的第一次觀測。

  這是我們對實驗的一個前期預(yù)言,我們希望通過我們的觀測能使現(xiàn)有的探測精度提高10倍左右的量級,為了實現(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,從前期臺址的選取到中后期實驗儀器的擺放等等,每一次工作都讓人記憶猶新。

  我們曾經(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)常穿梭在無人區(qū),去尋找臺址的時候,經(jīng)常要爬到非常高的地方,有很多同事渴的時候要吃地上的積雪來解渴。雖然很艱苦,但是我們也看到了喜馬拉雅山脈上最險和最峻的風(fēng)景,所以我們覺得一切的付出都是值得的。

  謝謝大家對我們阿里計劃的關(guān)注。

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


附件下載:

地址:北京市918信箱 郵編:100049 電話:86-10-88235008 Email:ihep@ihep.ac.cn
中國科學(xué)院高能物理研究所 備案序號:京ICP備05002790號-1 文保網(wǎng)安備案號: 110402500050