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李虹:在世界屋脊倾听宇宙的初啼
2018-09-05 |文章来源: SELF讲坛| 浏览次数:  |

  宇宙的诞生一直吸引着人类探索的目光,引力波的发现终于拼好了广义相对论的版图,而他们的脚步从未停下,他们登上了世界屋脊,用引力波探听宇宙的起源,倾听宇宙的初啼。澳门新葡萄京赌场高能物理研究所研究员李虹在澳门新葡萄京赌场SELF讲坛向大家讲述了原初引力波与阿里计划的故事。

[video:李虹:在世界屋脊倾听宇宙的初啼]

 

李虹 澳门新葡萄京赌场高能物理研究所研究员

  以下内容为李虹演讲实录:

  大家下午好!我是李虹,来自澳门新葡萄京赌场高能物理研究所,今天非常荣幸在SELF讲坛与大家一起分享我在宇宙学和原初引力波探测方面的研究和体会。我今天给自己的任务就是用最接地气的语言给大家传递你们想要的最好的信息。

  我今天演讲的题目是“站在世界屋脊聆听宇宙的初啼”。我个人非常喜欢这个题目,因为它告诉大家,大家要探索的这个神秘的信号来自宇宙,这个信号是在宇宙诞生的时刻就发出的,它是一件非常酷的事情。

  什么是初啼呢?顾名思义,孩子在降生的时候哇哇啼哭,在门外焦急等待的父亲听到啼哭声,就知道孩子出生了。宇宙也一样,一旦大家听见了宇宙的初啼,听见了宇宙的第一串声音,大家就会知道宇宙在诞生时刻的微妙。

  大家的宇宙已经138亿年了,138亿年前发出了一个声音,今天大家要想去探听到它,一定是一件非常具有挑战性的事情。俗话说,“站得高,望得远”,同样,站得高大家也能听得更远,所以大家要登上世界屋脊去探听来自浩瀚宇宙当中最遥远、最神秘的声音。

  宇宙的初啼到底是什么?大家怎么去探听呢?这就是大家今天要讲的重点内容——探索原初引力波。

  下面大家一起开启原初引力波的探索之旅。原初引力波,顾名思义是引力波的一种,所以首先大家要搞清楚什么是引力波,大家都知道引力是自然界中一种基本的相互作用力。牛顿力学告诉大家地球围绕着太阳转是因为地球受到了来自太阳的万有引力的相互作用。但大家知道牛顿力学并非是描述宇宙的终极理论。

  100年前,爱因斯坦提出的广义相对论是更为基础的理论,在广义相对论中并不存在绝对的万有引力,地球为什么绕着太阳转?因为太阳相对于地球来说是一个大质量的天体,由于这个大质量天体的存在,大家的宇宙、时空发生了弯曲,地球在这样一个弯曲的时空当中走了一条最经济的道路,沿着侧地线运动,就形成了大家看到的地球绕着太阳转的引力体系,引力波就起源于引力相互作用。

  到底什么是引力波?如果宇宙中发生了一些引力扰动事件,比如说两个大质量的天体,两个黑洞或两个中子星发生了相互的绕转,并且越转越快,最后它们要并合,在这个过程中大质量天体会导致时空的扭曲,当它们加速运动时,扭曲的时空会以波动的形式向外传递。

 

  这个动图告诉大家扭曲的时空以波动的形式向外传递,一份能量以波动的形式向外抛射便产生了引力波。爱因斯坦在提出广义相对论的时候,就给出了一个理论预言:引力波存在。但是当时基于这个理论计算出它非常小,所以爱因斯坦本人也认为大家可能无法探测到它。

  在过去的一百年中,人类科学探索的脚步从来都没有停止过,很多预言都得到了证实,比如光线的弯曲、水星近日点的进动、引力红移现象等等,可以说广义相对论得到了很全面的验证,唯独引力波一直停留在科学家的视线之外。

  虽然从上世纪50年代末期,人们已经开始尝试用工具去探索引力波,但是一直没有成功。一直到2016年初,位于美国的LIGO合作组宣布他们探测到了两个黑洞并合产生的引力波,震动了全世界,因为广义相对论的最后一片拼图终于被拼上了。

  LIGO是怎样探测到引力波的?首先大家要搞清楚引力波到来的时候,大家的时空以及时空上的物质会发生什么样的变化,大家请看这个动图,当一束引力波穿过时空的时候,时空会怎样改变。它会在一个方向拉伸,另外一个方向压缩。

  大家知道宇宙中所有的物质都是依附于时空存在的,当时空被压缩和拉伸的时候,物体也会跟着发生形变。所以形象地说,如果引力波向你迎面传来,你想变瘦、变高就不再是梦想了。但是紧接着你又会变矮、变胖。

  LIGO正是利用这个效应探测到了引力波,LIGO用了两个四千米长的垂直的悬臂,在悬臂中间有两束由分光镜分开的激光,它们是处于干涉状态的,如果没有引力波存在,激光会一直在悬臂的镜子里反射,接触面板上并不会接收到任何的信号,但当引力波到来的时候,引力波会在一个悬臂拉伸,另外一个悬臂压缩,悬臂当中的激光会随之发生变化,本来两束干涉相消的激光不再干涉相消,大家就探测到了引力波的信号。

(视频来自 LIGO实验室)

  在视频大家以两颗中子星的并合为例,向大家展示。两个中子星绕转了,将有引力波释放出来。这些网格就是形象地描述时空的结构,引力波出来之后,大家会看到它们越转越快,最后并合了,引力波被抛射出来。

  这是LIGO的两个相互垂直的悬臂,悬臂中间有两束激光,由于激光干涉相消,右边的面板上看不到信号。一旦出现了引力波,面板上将会出现激光干涉不相消的信号,于是大家就探测到了它。

  根据LIGO探测到的信号,大家地球的形变到底有多少呢?质子直径的万分之一。这就是为什么人类探索了60年,才得以探测到它,它太微小了。LIGO因为这件重大的科学发现被授予2017年诺贝尔物理学奖,世界为之而欢呼。

  但大家要看到它的背后到底蕴含着什么意义,LIGO探测到引力波为什么这么重要?原因就是人类又重新掌握了一种全新的认识宇宙的手段和方法。

  掌握了电磁波的技术以后,人类又从光学波段一直把望远镜推广到红外、紫外、射电X-Ray Gamma-Ray波段等等,大家可以在电磁波所有的波段探测大家的宇宙。电磁波的掌握就好比人类生出了一双眼睛,大家开始看宇宙,而且看得越来越清楚。

  引力波技术的发现,是完全独立于电磁波之外的一种新型的技术,好像人类又生出了一双耳朵,大家已经有了眼睛,再生出两个耳朵,大家可以听到更多来自宇宙深处的信号,可以更好地探究大家的世界。

  既然人们探索到了引力波,听到了第一串声音,人们就想,怎样才能听得更远,听得最远的声音会是什么样子的?最远的声音来自于哪儿呢?在宇宙诞生的那一瞬间,在暴胀的过程当中,就会发出一种引力波,大家称之为原初引力波。这起源于当代宇宙学的热爆炸理论,人们认为宇宙起源于一个很小的体积,暴胀的过程就是一个时空剧烈增长的过程,在图的左边用黄色区域标出来的。

  在暴胀的过程当中,时空会产生扰动,时空自身的涨落就会产生引力波,这就是大家要探听的宇宙的初啼,即原初引力波。形象地说,原初引力波就是宇宙在诞生的时候突然喊了一声,这个声音一直消之不去,就像人们在大山里发出声音,回声一直在山谷中间回荡一样,宇宙的第一声啼哭也会形成一个背景的声音,一直在大家的宇宙中存在,随着宇宙的演化不断在红移,越来越微弱,但是它一直存在。

  大家一旦探索到了原初引力波,就能反推到宇宙诞生的时候,到底是怎样一个动力学,就可以研究宇宙的起源。

  到今天宇宙的初啼的信号已经变得非常地微弱,再用LIGO那种悬臂的方式探测已经远远不够了,因为大家的宇宙已经演化了138亿年,到今天这个信号已经非常地微弱,如果大家再用悬臂的方法探测它,可能这个悬臂要长到宇宙这么大的尺度。

  所以大家需要一种全新的探测手段,大家需要到宇宙中寻找一种古老的化石,这种古老的化石在空间中有一种特殊的分布,这个分布可能是由原初引力波造成的。因此大家去精确地测量化石在宇宙中的分布,就可以寻找原初引力波的蛛丝马迹。

  这种神秘的化石是什么呢?它就是宇宙微波背景辐射光子,大家称之为CMB光子。到底什么是CMB?它是怎么形成的?为什么说它是宇宙留下来的神秘的化石?

  这要从宇宙的热力史说起,这个图描述了宇宙的演化,是从小到大的一个过程。早期的宇宙是非常炙热的,它并不像大家今天看到的很有序的样子,因为大家现在看到的宇宙已经是冷却下来的状态。早期的宇宙就像一锅沸腾的开水一样,宇宙的演化过程就是这锅开水逐渐降温的过程。

  这锅开水特别神奇,在宇宙不同的时间,它的温度或能标不一样的时候,它里面的成分也不一样,宇宙有一个特殊的时刻,就是宇宙在38万岁的时候,会迎来一个再复合时期,就是图上用红色的线标出来的时期。

  在再复合时期到来之前,宇宙中主要的成分是光子、电子、质子、中子,这些成分频繁地发生散射,它们紧密地耦合在一起,电子和光子每天形影不离。但随着再复合时期的到来,意味着当时的宇宙要开始形成中性的原子,大家都学过物理,知道原子中间有原子核,原子核是由中子和质子构成,原子核外面是绕着它转的电子。

  中性原子核的形成就导致电子被中性的原子束缚起来了,光子和电子本来是形影不离的好朋友,但是电子突然消失了,它被中性的原子抓走了,光子就失去了它的好朋友,它没有碰撞对象了,没有耦合对象了,于是它就一直在宇宙当中孤独地存在下去、自由传递,就形成了大家今天想要的这样一种神秘的化石。

  也就是说宇宙在再复合时期,38万岁的时候会给大家留下这样一种剩余的热辐射,大家就是要观测这种热辐射,所以大家可以一直追溯到电子和光子在最后一次发生散射的那一时刻。

  大家用白色的圈表示宇宙当中光子和电子最后一次发生散射的那一时刻,大家把它叫自由散射面。

  在最后散射面上,大家以电子为中心去看,如果宇宙中不存在原初引力波,所有的就都是均匀的,那么在电子周围的四个方向可以用四个黄圈描述,这四个黄圈分布的光子是完全一样的。

  但大家知道有原初引力波的存在,原初引力波的存在会使时空当中形成引力势阱,会改变时空的结构,就会使得某一个方向的光子分布多一些,大家用红色来表示,这个地方的温度显得高一些,在垂直的方向,这个颜色会变蓝,就是温度显得低一些。

  在这种特殊分布的光子的情况下,电子和光子发生了一次散射,就会在CMB的光子上留下印迹,CMB光子就是大家要找的化石,大家的化石上出现了一个特殊的印迹,大家去找这个印迹,大家就可以追寻到原初引力波。

  大家现在要开始追寻这种化石,那首先大家要了解这个化石到底是什么样子,多不多?好不好探测?图中大家用红色的箭头来描述大家周围这种化石的分布情况。

  大家可以看到大家的地球几乎生活在CMB的光子海洋里面,大家会感觉好像很多,伸手就能抓到它,每立方厘米有400-500个,确实很多。但这个光子并不像想象中那么容易抓住,因为它非常冷。

  在退耦的时候,它的能量只有1eV(电子伏特),演化到今天,这种光子平均的温度是2.73K(开尔文),即零下270度,是很冷的一种光子。大家去探测它的热辐射的时候,要观测它的辐射强度,它的辐射强度在地球上探测大概是每平方米3.3微瓦。

  对一个正常的人类来说,大家的体温是37度,大家的身体不停地向外发生热辐射,辐射强度是每平方米500瓦特,跟3.3微瓦比的话,你会发现这种化石的辐射强度只有人体辐射强度的一亿分之一,非常地微弱,很难探测到它。

  因此大家需要一种非常敏感的探测器,它有多敏感呢?我给大家举一个例子。大家要探测的化石是一个热辐射,大家知道一个火堆会不停地往外发生热辐射,如果有一个火堆,把你的眼睛蒙上,你的手就是一个非常灵敏的探测器,你一伸手就能知道火在哪儿,探测到它。

  但如果用你的手再去感知你身体的温度的时候,比如说有人发烧的时候,用手去测量体温已经不够了,这个时候大家就需要用温度计来测量身体体温的涨落。所以对于零下270度微弱的热辐射,大家需要超级灵敏的探测器。

  幸运的是,通过对超导材料的研究大家已经掌握了一种超导边缘相变探测器,大家称之为TES探测器。这种探测器非常敏感,它可以探测到毫开尔文量级甚至以下的温度的涨落,所以大家把它放在望远镜里面做成微波望远镜,大家就可以用它来测量这种剩余的辐射,也就是大家所说的CMB光子。

(资料来自 约翰霍普金斯大学克里格文理学院)

  大家的项目组叫作阿里原初引力波探测计划,正是要在阿里地区放置一台灵敏的望远镜来探测原初引力波。动图里是大家的望远镜工作的过程,就像电视调频一样,它经过一系列的寻找,最终会集中到微波波段。它的眼睛里面看到的都是CMB波段的信号,然后它会进行扫描,测量出这种化石在空间中的分布,大家再在这个分布图上去寻找原初引力波的蛛丝马迹。

  现有的地面原初引力波探测基本都分布在南半球,在智利的阿塔卡马沙漠、美国南极极点就有几个。大家的阿里计划是北半球第一个地面原初引力波探测实验,也是我国的第一个地面原初引力波探测实验,大家的目标是实现北半球第一次对天空的扫描,给出最精确的测量。

  在地球上开展这种原初引力波探测会受地球附近大气层的影响,所以它对台址条件的要求非常苛刻,大家需要台址足够高,大气层足够稀薄,而且大气要足够干燥,使得它在微波波段的透射率非常强,让信号能够投射过来,同时要使空气产生的噪声足够小。所以大家一定要上到高处去,西藏阿里地区地处喜马拉雅山脉,大气又很干燥,给大家提供了一个绝佳的观测条件。所以大家一定要登上世界屋脊,才有可能探测到原初引力波。

  这是大家整个计划的科学目标,2018年年底,位于海拔5250米高度的观测舱将建好,2020年底,大家的望远镜就会被研制出来,开始对天空的第一次观测。

  这是大家对实验的一个前期预言,大家希翼通过大家的观测能使现有的探测精度提高10倍左右的量级,为了实现这一目标,我和大家课题组的所有成员付出了非常艰辛的努力,从前期台址的选取到中后期实验仪器的摆放等等,每一次工作都让人记忆犹新。

  大家曾经登到海拔近6000米的山峰,在那里积雪是终年不化的,大家经常穿梭在无人区,去寻找台址的时候,经常要爬到非常高的地方,有很多同事渴的时候要吃地上的积雪来解渴。虽然很艰苦,但是大家也看到了喜马拉雅山脉上最险和最峻的风景,所以大家觉得一切的付出都是值得的。

  谢谢大家对大家阿里计划的关注。

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