阿里实验：寻找原初引力波

曹玲

人类发现引力波这件事情，并没有让麻省理工学院物理系研究员苏萌感到特别激动。

这种事情，2014年他已经经历过一回。

2014年3月17日，哈佛史密森天体物理研究中心，BICEP项目负责人之一、苏萌曾经的博士生导师约翰·科瓦奇（John Kovac）开始介绍首次发现的原初引力波信号的观测结果，以及专门设计建造的核心探测装置：第二代BICEP南极望远镜。

在不到一天的时间里，全球超过350万人尝试登录哈佛网络直播平台，希望得知新闻发布会的细节，以至于哈佛完善的网络平台彻底崩溃。

对此，苏萌曾满怀激情地写道：“作为宇宙中稀有的智慧生命的我们，窥探到了宇宙诞生后最初的一瞬间留给后人的信息——请相信我，作为智慧生命的种群，生活在这样的一个宇宙中，真的是一件非常幸福，更是幸运的事情。”

但很快，有科学家质疑BICEP2探测到的引力波信号有可能是星际尘埃产生的噪音信号，引得学术界一片哗然。2014年9月，欧洲宇航局公布了普朗克（Planck）卫星的观测数据，他们的数据支持星际尘埃的有关质疑。2015年2月，欧洲物理学家小组宣布通过普朗克卫星的调查，原初引力波的发现确实是个失误。为此，BICEP2整个工作组的声誉遭受了重大影响。

“这是一个不好的消息，原初引力波并没有找到;对于中国来说，这可能又是一个很好的机会，既然原初引力波还没有找到，我们就还有希望。”苏萌说。

2014年5月，在美国发布发现原初引力波不久，中国科学院高能物理研究所的张新民研究员等人，就提出了发展中国的原初引力波项目——阿里实验计划。该项目计划在西藏阿里地区狮泉河镇南30公里山脊头部的阿里天文台进行引力波观测。阿里天文台海拔5100米，是北半球首个海拔超过5000米的天文台。这里云量少、水汽低、透明度高、视宁度条件好，这些优点使阿里成为天文学家眼中“仰望星空”的最佳点。

为什么已经发现了双黑洞产生的引力波，还要去寻找原初引力波？原初引力波又是什么？

今天我们对宇宙最基本的认识是，宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。美剧《生活大爆炸》的片头描述了大爆炸理论：我们整个宇宙诞生之初温度密度极高，随着不断地膨胀，宇宙慢慢地冷却。传统的大爆炸理论描述了宇宙如何扩张，如何冷却，物质如何凝结并构成了星系与结构。但是它并未提及大爆炸本身，并没有告诉我们什么爆炸了，爆炸之前发生了什么。

1980，32岁的美国科学家阿兰·古斯（Alan Guth）提出了一个新的理论——宇宙暴胀，对宇宙学有着深远的影响。

提出宇宙暴胀的想法之后，他想到最好的普及方法就是到处做报告。1980年春天，只是个博士后的阿兰打破了传统的宇宙形成理论，向前追溯宇宙的形成。他的演讲题目是《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间，究竟发生了什么，完全是个谜，阿兰的理论完美地解释了大爆炸的瞬间，引入了一个称为暴胀的新要素。暴胀导致宇宙在进入慢速扩展之前，以惊人的速度扩展，这或许是宇宙演化历史中最不可思议的一瞬。

暴胀论解释了什么促使宇宙发生了当前巨大的扩张，宇宙开始的时间大概发生在大爆炸发生瞬间之后的10-37秒。“这个时间如此短暂，以至于我用了一些时间才让自己相信我讲的这些东西都是有道理的。”他在BBC拍摄的纪录片《寻找引力波》中说道。

典型宇宙最初大小约10-24厘米宽，比一个质子还要小10亿多倍。暴胀结束后，宇宙的大小约为1厘米。在那之后它从1厘米发展到了如今的宇宙。暴胀论解释了一些重大问题，为什么我们的宇宙如此之大，呈现出近乎完全扁平的几何结构？为什么如此大的宇宙，各方面如此均衡？阿兰的理论也预示着，在早期的宇宙中存在引力波。因为这种引力波产生于宇宙诞生之初，人们给它起名叫原初引力波。

之后几十年，暴胀论的变化层出不穷。上世纪90年代，暴胀论的第一个证据出现了，被送到太空的一系列卫星对大爆炸的余辉进行了新的测量，观测结果表明和暴胀论的预测完全吻合。

暴胀论最重要的预测是时间开端即出现的引力波。“实验证据非常重要，能否发现原初引力波可以验证暴胀论到底是正确还是错误的理论。”

发现引力波将为整个暴胀论提供确凿的证据，暴胀论只预测出原初引力波，但是并未说明引力波到底多大。

当人们谈论大爆炸引起的引力波时，通常认为它是传遍宇宙的巨大的冲击波，这是错误的。暴胀产生的引力波属于量子力学的范畴，它的波长非常的小，用望远镜可以找到证据。

寻找这种引力波信号的方式是研究宇宙微波背景辐射，这种辐射基本是大爆炸的余辉，随着宇宙冷却释放出来，如今这种极其微弱的电磁波，依然充斥在整个宇宙中。这是宇宙中最早的光，它给了我们大爆炸发生后约30万年前的宇宙印象。如果引力波存在于早期的宇宙中，将会影响这些光波的方向，也就是所谓的偏振。

宇宙微波背景辐射有偏振，它会在这种偏振中产生一种特定的漩涡模式，被称为B模式，画出来有点像风车的形状，这是引力波的独有模式。引力波拉伸和压缩空间，会在大爆炸的余辉（宇宙微波背景）中留下这种模式的印记。如果这种B模式真的存在，它会是宇宙历史上第一瞬间派来的、不可思议的强大信使。寻找爆炸产生的引力波变成了寻找这种B模式，如果暴胀理论是正确的，就会有B模式等待人们去发现。

事情似乎变得很简单：只要建造最好的望远镜来找到B模式信号，就能证明原初引力波的存在。这正是科瓦奇和他的伙伴们十几年来一直在做的事情。2002年左右，科瓦奇组建了一个20人左右的团队，提议在南极的极点附近建设一台名为“BICEP”的望远镜。这是世界上首次专门针对搜寻原初引力波产生的B模式信号而建造的探测装置。由于投资相对较小，科学目标又非常重要，BICEP项目很快就得到了批准。

为什么科学家要不远万里去南极寻找原初引力波？

考虑到宇宙微波背景辐射的信号特征，以及来自天空中其他辐射源的影响，1000亿～3000亿赫兹的频率是最佳的观测窗口。这个波段的电磁波会被大气中的水蒸气吸收，同时水蒸气也会发射大量类似频率的信号，极大地影响观测。

相对来说，南极是个很好的观测位置。南极观测站的位置海拔约3000米，空气中液态的水基本变成了固态，停留在地面上。即便在空气中，水也是以小冰晶的方式存在，整个大气在微波波段变得相当同名，提供了一个地球上最好的观测站点。

据阿里实验计划负责人、中科院高能所研究员张新民介绍，除了南极之外，地球上能找到的绝佳观测点还有三个：南半球有智利阿塔卡马沙漠的高山之巅、北半球有格陵兰岛和我国西藏阿里。他分析，阿塔卡马沙漠和阿里都处于中纬度，扫过的天区面积比高纬度地区要大很多，未来阿里将成为北半球天区第一个地面观测点，开启北天区原初引力波观测的新窗口，与南半球相呼应。目前，美国已经在南极和智利进行了引力波观测。如果不考虑成本的话，也可以把探测器发射到太空中，比如美国航空航天局于2001年发射的威尔金森探测器，以及欧洲空间局于2009年发射的普朗克卫星。

BICEP项目经过紧张的准备，于2005年南极的夏天正式建造，2006年开始采集科学数据。由于条件有限，只有在南极每年极昼期间大约3个月的时间内，才有机会运送给养，修复或者升级BICEP望远镜。这个时候他们会暂停观测，进行紧张的工程建设，比如加注大量的液氦把整个望远镜冷却到-270℃，来降低探测时的噪音。

在余下的极昼以及整个极夜期间，BICEP会对一个特定的天区进行不间断观测。在极夜到来之前，绝大多数BICEP成员都会撤出南极，只留下工程师斯蒂芬·里克特在那里待上9个月，负责望远镜的运行和维护。每天他都要步行1公里多路去望远镜那里工作，户外温度在-40℃至-73℃，冬季6个月没有太阳，天上只有美丽的星星和极光，他却说那是世界上最美的一条上班道路。

从1992年起，科瓦奇每年都要去南极建设宇宙微波背景辐射探测装置，几乎没和妻子家人一起度过圣诞节。

第一代BICEP工作到2009年，之后进行升级。第二代仪器BICEP2观测效率由于探测器技术上突飞猛进，一下提高了近10倍。苏萌是科瓦奇在哈佛大学的第一届学生，2008年加入BICEP团队之后，主要负责处理分析第一代BICEP望远镜收集的数据，一直没有去过南极。

辛苦的工作并没有换来巨大的成果。“普朗克卫星的数据表明，BICEP观测的南极最干净的一片天区，被银河系自身的尘埃污染了。这些小颗粒本身也辐射微波，尘埃造成的辐射让数据的可靠度下降。BICEP的研究面临一个困难，它被宇宙尘埃挡住了。”阿里实验计划成员、高能物理研究所副研究员李虹说。

那么，北半球有没有银河系自身辐射少一点、更干净的一个天区来寻找引力波呢？

普朗克卫星的观测表明，北半球可见的天区有很多地方是挺干净的，可能存在透过银河系观测宇宙的更好窗口。“我们现在有一个很好的机会，机会就是我们有青藏高原和阿里天文台。我们很可能有一个更干净的窗口，率先发现原初引力波。虽然我们和国外的研究可能存在一定差距，但是至少整个北天区只能通过阿里观测站来寻找引力波，这是一个天时、地利、人和共存的机会，我们正在努力去促成这件事。”苏萌觉得这是一个开展引力波探测千载难逢的好机会，他忙于阿里实验计划的筹备工作，计划把工作的重心从美国转到中国来。“目前寻找原初引力波的实验主要在南半球，即南极和智利，阿里天文台加入后，即可实现全天覆盖。”“以前我们一直讨论可不可以去丹麦的格陵兰岛进行观测，那里靠近北极，海拔3000米，但是一个寸草不生的荒原，工作环境并不比阿里好，而且阿里的可观测天区是格陵兰岛的两倍。”苏萌说，“目前，很多国家的研究小组都希望通过阿里这个平台，和中国进行国际合作。”

张新民也屡次表示，按照计划，阿里实验预期5年就可以出成果，造价约1亿元。这个数字，相比其他基础科研的投入而言，不算大数目。

“我们现在有一个很好的契机去了解宇宙是如何诞生的，能够回答这个问题无论是从哲学层面还是科学层面，都是一个很大的进步。”苏萌说。