用引力波探聽宇宙的起源，在世界屋脊傾聽宇宙的初啼

2023-03-29 18:05:28

宇宙的誕生一直吸引著人類探索的注意力。引力波的發現最終完成了廣義相對論的繪製。與此同時，科學家從未停止他們的腳步。他們爬上了世界的屋頂，用引力波探索宇宙的起源，聆聽宇宙的第一聲吶喊。

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以下是中國科學院高能物理研究所李虹的講話全文:

大家下午好！我是李虹，來自中國科學院高級物理研究所。今天，我很榮幸在SELF論壇上與大家分享我在宇宙學和初級引力波探測方面的研究和經驗。我今天給自己的任務是用最實際的語言給你發送你想要的最好的信息。我今天演講的主題是「站在世界的屋頂上聆聽宇宙的第一聲吶喊」我個人非常喜歡這個話題，因為它告訴我們，我們正在探索的神秘信號來自宇宙。這個信號是在宇宙誕生的時候發出的。這是一件非常酷的事情。

什麼是第一次哭泣？顧名思義，孩子一出生就哭。在門外焦急等待的父親聽到哭聲，知道孩子出生了。宇宙也是如此。一旦我們聽到宇宙的第一聲吶喊和宇宙的第一個聲音，我們就會知道宇宙誕生時的秘密。

我們的宇宙已經有138億年了。138億年前，一個聲音出現了。對我們來說，今天找到它一定是一件非常具有挑戰性的事情。俗話說，「站得高，看得遠。」同樣，如果我們站得高，我們可以聽到更遠的聲音，所以我們必須爬到世界的屋頂去聆聽來自浩瀚宇宙中最遙遠和神秘的聲音。

宇宙的第一聲吶喊是什麼？我們怎麼能窺探呢？這是我們今天要討論的關鍵點——探索初級引力波。低於

，讓我們一起開始探索原始引力波。顧名思義，原始引力波是一種引力波，所以首先我們需要了解引力波是什麼。我們都知道重力是自然界中一種基本的相互作用力。牛頓力學告訴我們，地球圍繞太陽旋轉，因為地球受到太陽引力的影響。但是我們知道牛頓力學不是描述宇宙的終極理論。

100年前，愛因斯坦的廣義相對論是一個更基本的理論。廣義相對論中沒有絕對引力。為什麼地球繞著太陽轉？因為相對於地球來說，太陽是一個巨大的天體。由於這個巨大天體的存在，我們的宇宙和時空已經彎曲。在如此彎曲的時空中，地球已經走上了最經濟的道路。沿著橫向地面線移動形成了引力系統，我們看到地球圍繞太陽旋轉。引力波源於重力相互作用。引力波

到底是什麼？如果宇宙中存在一些引力擾動，比如兩個大質量天體、兩個黑洞或兩個中子星繞著彼此旋轉，並且旋轉得越來越快，它們最終會合併。在這個過程中，大質量的天體會造成時空扭曲。當它們加速運動時，扭曲的空間和時間將以波動的形式向外傳播。

這個動態圖告訴我們，扭曲的時空以波的形式向外傳輸，以波的形式向外拋出的能量產生引力波。當愛因斯坦提出廣義相對論時，他給出了一個理論預測:引力波是存在的但是根據這個理論，它非常小，所以愛因斯坦自己認為我們可能無法探測到它。

在過去的100年裡，人類科學探索的步伐從未停止過。許多預測已經被證實，例如光的彎曲、水星近日點的進動、引力紅移等。可以說，廣義相對論已經得到了充分的驗證，但是引力波仍然在科學家的視野之外。

雖然從20世紀50年代末開始，人們就試圖用工具來探索引力波，但並不成功。直到2016年初，美國的LIGO團隊宣布他們已經探測到了兩個黑洞合併產生的引力波，這震動了世界，因為廣義相對論的最後一塊拼圖終於拼在一起了。

LIGO如何探測引力波？首先，我們需要找出當引力波到達時，我們的時空和時空中的物質會發生什麼變化。請看看這張電影。當引力波穿過時空時，時空會如何變化？它會向一個方向伸展，向另一個方向壓縮

我們知道宇宙中的所有物質都與空間和時間相關。當空間被壓縮和拉伸時，物體也會相應地變形。因此，形象地說，如果引力波向你靠近，你變得更瘦更高就不再是夢了。但是之後你會變得越來越矮越來越胖。

LIGO利用這種效應來探測引力波。LIGO使用了兩根4公裡長的垂直懸臂。在懸臂的中間是兩個被光束分離器分開的雷射束。他們處於幹擾狀態。如果沒有引力波，雷射束總是會在懸臂的鏡子裡反射。接觸面板不會接收任何信號。然而，當引力波到來時，引力波會在一個懸臂中伸展，在另一個懸臂中壓縮。懸臂中的雷射束會相應地改變。最初，兩個幹擾和破壞性的雷射將不再幹擾和破壞。我們探測到引力波的信號

在視頻中，我們以兩顆中子星的合併為例向您展示兩顆中子星正在軌道上運行，釋放出引力波。這些網格生動地描述了空間和時間的結構。引力波出來後，你會看到它們轉得越來越快。最後，它們合併，引力波被拋出。

這是LIGO的兩個垂直懸臂。懸臂中間有兩個雷射束。由於雷射束的幹擾消除，右側面板上看不到信號。一旦引力波出現，面板上將會有一個信號，雷射幹擾不會抵消，所以我們將檢測到它。

根據LIGO探測到的信號，我們的地球有多少變形？質子直徑的1/10000這就是為什麼人類探索了60年才能夠發現它。它太小了LIGO因這一重要的科學發現獲得了2017年諾貝爾物理學獎，全世界為此歡呼雀躍。

，但我們需要了解它包含的含義。為什麼LIGO探測引力波如此重要？原因是人類已經掌握了一種全新的理解宇宙的方法。在

掌握了電磁波技術之後，人類已經將望遠鏡從光學波段擴展到紅外、紫外和射電X射線伽馬射線波段。我們可以在電磁波的所有波段探測到我們的宇宙。對電磁波的掌握就像一雙眼睛的誕生。我們開始看到宇宙，並且看得越來越清楚。

引力波技術的發現是一種完全獨立於電磁波的新型技術。似乎人類已經生下了一對耳朵。我們已經有眼睛，並能再生兩隻耳朵。我們可以從宇宙深處聽到更多的信號，更好地探索我們的世界。

由於人們已經探索了引力波並聽到了第一串聲音，人們想知道他們如何能聽到更遠的聲音以及最遠的聲音會是什麼樣子。最遠的聲音來自哪裡？當宇宙誕生的時候，在膨脹的過程中，會發出引力波，我們稱之為原始引力波。這種熱爆炸理論起源於當代宇宙學。人們認為宇宙起源於非常小的體積。通貨膨脹的過程是一個時空急劇增長的過程，在圖的左側用黃色區域標出。

在膨脹過程中，時空會產生擾動，而時空本身的波動會產生引力波。這是我們想要探索的宇宙的最初呼聲，也就是初級引力波。從視覺上講，原始引力波是宇宙誕生時的突然呼喊。這聲音已經消失了。就像人們在山中的聲音和山谷中的回聲一樣，宇宙的第一聲吶喊也將形成背景聲音。它一直存在於我們的宇宙中。隨著宇宙的進化，它被紅移，變弱，但它一直存在。

一旦我們探索了初級引力波，我們就可以逆轉宇宙誕生時的動力學，並且我們可以研究宇宙的起源。從

到今天，宇宙的初始信號變得非常微弱。用LIGO懸臂法探測它是遠遠不夠的，因為我們的宇宙已經進化了138億年。今天，信號很弱。如果我們用懸臂法再次探測它，懸臂可能會增長到宇宙的大小。

所以我們需要一種全新的探測方法，我們需要在宇宙中找到一種古老的化石，這種古老的化石在太空中有著特殊的分布，這種分布可能是由原始引力波引起的因此，如果我們精確地測量化石在宇宙中的分布，我們就能找到原始引力波的線索。這個神秘的化石

是什麼？它是宇宙微波背景輻射光子，我們稱之為CMB光子什麼是招商銀行？它是如何形成的？為什麼它是宇宙遺留下來的神秘化石？

這從宇宙的熱力學歷史開始。這張圖描述了宇宙的演變，是一個從小到大的過程。早期宇宙非常熱。它不像我們今天看到的那樣有序，因為我們現在看到的宇宙已經處於冷卻狀態。早期的宇宙就像一壺開水，宇宙的進化是這壺開水逐漸冷卻的過程。這壺開水很神奇。當宇宙的溫度或能量在不同時期不同時，它的組成也不同。宇宙有一個特殊的時刻，也就是說，當宇宙38歲時，它將迎來一個重組時期，也就是在地圖上用紅線標出的時期。

在複合期到來之前，宇宙中的主要成分是光子、電子、質子和中子。這些組件經常分散在一起，並且緊密地耦合在一起。電子和光子每天都是密不可分的。但是隨著重組期的到來，這意味著宇宙在那時將開始形成中性原子。每個人都學過物理學，並且知道在原子的中央有一個原子核。原子核由中子和質子組成，圍繞它旋轉的電子在原子核外。

中性核的形成導致電子被中性原子束縛。光子和電子是密不可分的好朋友，但是電子突然消失了。它們被中性原子捕獲，光子失去了它們的好朋友。它們沒有碰撞對象或耦合對象。因此，它們一直獨自生活在宇宙中，自由地通過，形成了我們今天想要的神秘化石。

，也就是說，宇宙在重組和38歲時會給我們留下這樣一個餘熱輻射。我們只想觀察這種熱輻射，這樣我們就可以回到電子和光子最後一次散射的時間。

我們用白色圓圈表示宇宙中光子和電子最後一次散射的時刻。我們稱之為自由散射面。

在最終的散射面上，我們以電子為中心來看，如果宇宙中沒有初級引力波，所有的引力波都是均勻的，那麼電子周圍的四個方向可以用四個黃色的圓來描述，並且在四個黃色的圓中分布的光子是完全相同的

但是我們知道有原始引力波。原始引力波的存在將在時空中形成引力勢阱，改變時空結構，使光子在一定方向上分布更加均勻。我們用紅色表示這個地方的溫度較高。在垂直方向上，顏色會變成藍色，也就是說，溫度較低。

在光子的這種特殊分布中，電子和光子有一個散射，它會在CMB光子上留下一個標記，CMB光子是我們正在尋找的化石，在我們的化石上有一個特殊的標記，我們尋找這個標記，我們可以找到原始的引力波現在我們要開始尋找這塊化石了。首先，我們需要知道這塊化石的樣子。多少人？檢測怎麼樣？在圖片中，我們用紅色箭頭來描述我們周圍這塊化石的分布。

我們可以看到，我們的地球幾乎生活在CMB的光子海洋中。每個人都會覺得好像有很多，達到每立方釐米400-500，確實很多但是這個光子並不像想像的那樣容易捕捉，因為它非常冷。當

解耦時，其能量僅為1eV(電子伏特)。今天，這個光子的平均溫度是2.73千度(開爾文)，或者零下270度，這是一個非常冷的光子。當我們探測到它的熱輻射時，我們應該觀察到它的輻射強度，大約是地球上每平方米3.3微瓦。

對於正常人來說，我們的體溫是37度，我們的身體不斷向外輻射熱量，輻射強度是每平方米500瓦，與3.3微瓦相比，你會發現這塊化石的輻射強度只有人體輻射強度的一億倍，非常微弱，很難探測到

所以我們需要一個非常靈敏的探測器。它有多敏感？讓我給你舉個例子。我們想要探測的化石是熱輻射。我們都知道火會不斷發出熱輻射。如果發生火災，捂住眼睛，你的手是一個非常敏感的探測器。你可以知道火在哪裡，只要你伸出手就能發現它。

但是如果你用你的手再次感知你的體溫，例如，當某人發燒時，用你的手測量體溫是不夠的，這時我們需要用溫度計來測量體溫的波動。因此，我們需要超靈敏探測器來探測零下270度的微弱熱輻射。幸運的是，通過對超導材料的研究，我們已經掌握了一種超導邊緣相變探測器，我們稱之為TES探測器這種探測器非常靈敏，它可以探測到毫開爾文量級甚至更低的溫度波動，所以我們把它放在望遠鏡裡做成一個微波望遠鏡，我們可以用它來測量這種剩餘輻射，這就是我們所說的CMB光子。

(數據來自約翰·霍普金斯大學的克雷格列表學校)

我們的項目團隊被稱為阿里初級引力波探測計劃。準確地說是在阿里地區放置一個靈敏的望遠鏡來探測初級引力波運動圖像是我們望遠鏡的工作過程，就像電視調頻一樣。經過一系列的搜索，它最終將集中在微波波段。它眼中看到的是中巴波段的信號。然後它將掃描並測量這塊化石在太空中的分布。我們將在這張分布圖上尋找原始引力波的痕跡。

現有地面初級引力波探測基本上分布在南半球，有幾個在智利的阿塔卡馬沙漠和美國南極我們的阿里計劃是北半球第一次地面初級引力波探測實驗，也是中國第一次地面初級引力波探測實驗。我們的目標是實現北半球天空的首次掃描，並給出最精確的測量。

在地球上進行這種初級引力波探測會受到地球附近大氣的影響，因此其對場地條件的要求非常嚴格。我們需要場地足夠高，大氣足夠薄，大氣足夠乾燥，這樣它在微波波段的透射率就非常強，這樣信號就可以投射，同時空氣產生的噪音也應該足夠小。因此，我們必須飛得更高。西藏阿里地區位於喜馬拉雅山脈，大氣非常乾燥，這為我們提供了一個極好的觀測條件。因此，在我們能探測到原始引力波之前，我們必須爬到世界的頂端。