對於每一個熱愛科學的人來說，沒有什麼能比找到宇宙演化的祕密更令人激動和興奮的事情。相比於人類的歷史，宇宙的歷史其實簡單明了，然而限於我們今天的技術能力，人類對於宇宙的探查止步於宇宙誕生之後40萬年。我們這裡就來探討一下，如何傾聽宇宙誕生之初的“心跳”。

一、宇宙的演化與物理定律的對稱性

20世紀初，科學家們普遍認為 ：宇宙是永恆的，沒有開始也沒有結束，是 一個穩定的宇宙。但是到了20世界的20年代，天文學家們的觀測有了驚人的發現：宇宙在膨脹，星系彼此之間正在遠離。但是對物理學不了解的小夥伴還是會問：科學家們，是哪裡來的勇氣可以推演宇宙的演化？

其實，這源自物理學的對稱性。我們向天上扔一個石頭，它向上的運動速度就會越來越慢，直到速度為零，然後下落，速度又越來越快。如果我們把這個過程用攝像機拍下來，然後倒序播放給觀眾看，觀眾並不會發現其中有什麼不對。

在宇宙的大尺度範圍內，發揮重要作用的是引力，而引力正是一種保守力。保守系具有時間反演對稱性，這就是科學家們有能力推演宇宙演化的依據。如果星系正在退行，那麼它們以前一定是比較近地靠在一起。

星系彙集在一起，物質的密度增加了，溫度升高。原子溶解到它們的組成部分中。品質變成純能量。這個倒放的電影放出137億年或許是更久遠之前的場景——我們現在觀測到的整個宇宙的星系——塌縮為無限小、無限緊密的、無限熱的數學奇點。

時間走到了零，宇宙開始了！

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二、宇宙年齡的測定

永恆的宇宙難以想象，而宇宙有一個開始就更難想象了。它是從哪裡來的？是什麼導致了它的開始？但天文學的觀測資料不容否認。星系退行的速度可以通過它們發出的光線到達地球之後被望遠鏡觀測量出來。

星系的距離是從星系中星星的表觀亮度——已知亮度的超新星或某些型別的變星的表觀亮度——或從整個星系的表觀亮度估算出來的：亮度越小的星星或者星系就會離我們越遠。這個道理就跟我們看距離越遠的路燈會越暗的道理是一樣的。

從這個測量星系距離的方法上看，精度是很差的，這就會導致對宇宙年齡的估算要相差幾十億年。不過還好，可以確定的是，宇宙的年齡要遠大於地球的年齡（46億年），否則我們的天文觀測和物理定律就一定出了什麼問題。

第一種測量宇宙年齡的方法在20世紀20年代就被髮展出來。利用白矮星的冷卻速度來測量其年齡，這是因為，慢慢消失餘燼的星星不再產生能量。

第二種測量宇宙年齡的方法是同位素法，與考古學中使用碳14不同，是通過測量古老恆星大氣中放射性釷元素的的分佈量。後來又找到了另外一種可以用來測量星星年齡的元素——鈾。

使用放射性元素法測量宇宙的年齡為125億年，誤差33億年。與第一種方法估算得到的宇宙年齡是一致的。

現在科學家們研發出來一種專門用於測量宇宙年齡的衛星望遠鏡——威爾森微波各向異性探測器（WMAP）。這架望遠鏡拍攝到了一張，宇宙不到40萬年時（恆星和星系出現之前）宇宙雛形的影象。

有了這張影象，科學家們可以判定，那時候的宇宙是一鍋炙熱的粥，有等離子體能量和早期物質。大爆炸產生的波就像宇宙的“聲音”，通過研究宇宙的“聲音”我們就可以判斷早期宇宙的特徵及其年齡。通過這個方法，科學家們可以有把握地說出宇宙的年齡為137億年，誤差幾十萬年。

三、電磁波的侷限性

我們都知道的一個事實是，天體可以向宇宙中發出電磁波譜（光譜）的各種頻率的電磁波輻射，從長波無線電波到波長非常短的伽馬射線。可見光和部分無線電波可以穿透大氣層，被地面上的接收天線捕捉到。

但實際上，電磁波光布的各個頻率都帶有有用的資訊，所以科學家們開發出了執行在地球大氣層之外空間中的伽馬射線、紫外線、紅外線以及微波望遠鏡，通過它們收集宇宙執行和演化的線索。

就如我們前面提到的那些測量宇宙距離和年齡的方法，不論是用表觀亮度測距離，還是用放射性元素測年齡，或者是最新的利用宇宙微波背景輻射，都是在利用電磁波測量宇宙。

然而電磁波有一個很大的問題，就是它不能穿透早期宇宙所處於的等離子體狀態，這就是我們前面提到的，為什麼，即使是利用了最新的威爾森微波各向異性探測器來測量宇宙的年齡，仍然有幾十萬年的誤差的原因。這也引出了我們下面要介紹的內容。

四、引力波探測器

最早從理論上預言了引力波存在的科學家是愛因斯坦和艾丁頓。1974年修斯和泰勒研究了射電脈衝雙星PSR1913+16，求得其軌道公轉週期變小的變化率與廣義相對論計算的引力波輻射造成的輻射阻尼的預言符合得非常好，從而間接地證明了引力波的存在。

2015年9月14日，LIGO科學團隊與VIRGO團隊終於探測到兩個黑洞併合所產生的引力波。之後，在2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日分別三次探測到兩個黑洞併合所產生的引力波，又在2017年8月17日探測到兩個中子星併合所產生的引力波事件。

由於引力波的相干性和極強的穿透性，引力波的檢測和波形的研究對於現代天文學和物理學有極其重大的意義。其意義主要包括以下幾個方面：

1、引力波可以穿透超新星爆炸時產生的不透光的殼層，通過對超新星爆炸時產生的引力波形的分析，人類將首次了解到超新星爆炸過程中核心的變化情況；

2、通過引力波的研究，人類將可能直接確定黑洞的存在，可以測量黑洞和中子星的品質、結構、產生率及其在宇宙中的分佈，進一步認識伽馬射線暴與緻密雙星互繞結合的關係；

3、可以確定在極高密度下物質的物態方程；

4、可以研究早期宇宙的狀態。

除了地面上類似LIGO鐳射干涉引力波探測儀之外，科學家們正在謀求在太空建立引力波實驗室。這是因為，在低頻波段（低於1赫茲），任何引力波源的低頻引力波到達地球時，振幅都會比地球上的震動噪聲低很多，而處於太空中的探測器則不會受到地球噪聲環境的影響。

與地面干涉儀不同的是，由於航天器相距很遠，鐳射在傳播途中的大幅衰減造成空間干涉儀不能使用單純的平面鏡來反射鐳射，採用光學鎖相的辦法，將要發射訊號的相位鎖至接收訊號的相位上再將其發射出去。

這一過程原理上是一個光學轉發器，其效果和地面干涉儀的平面鏡反射是相同的，本質上相當於鐳射從一個航天器發射，到達另一個航天器後再返回，這個延遲訊號與本地的原始訊號發生干涉，空間干涉儀主要就是測量這種干涉訊號的相位。

五、中國引力波探測器進展

早在2014年3月份，中科院羅俊院士，在華中科技大學組織的一次國際會議中提出了“天琴計劃” ，並於2015年7月在中山大學正式發起，中山大學和華中科技大學正在組建研究小組開展中國空間引力波探測計劃任務的預先研究，制定中國空間引力波探測計劃的實施方案和路線圖。

該計劃，預計用20年時間，完成總投資約為150億元的“天琴計劃”。“天琴計劃”已經於2015年7月份正式啟動，中山大學珠海校區正在建設引力波研究所需的地面基礎設施，已經啟動山洞超靜實驗室和鐳射測距地面臺站基礎設施建設。

2016年2月21日，中山大學舉行推進實施“天琴計劃”研討會，併發布其實施路線圖“0123計劃”，該計劃將用15年—20年的時間發射衛星上天。

與美國的LIGO（鐳射干涉引力波天文臺）相比，天琴計劃引力波探測會有光學輔助手段，此外，與LIGO探測到的短時間的爆發型引力波不同，天琴探測的低頻段的連續型引力波，可以持續驗證。

“天琴計劃”不僅僅是基礎研究，‘天琴計劃’發展起來的關鍵技術可用於很多領域，如精確測量地球重力場，使人類更加深刻地了解地球、水資源和礦產資源的分佈和變化。又如精確測量距離，大到兩顆衛星之間的距離，小到一個原子尺度的變化，都可以精確測算出來。

結束語

人類對於宇宙的認識，是建立在物理學的基礎之上，四種基本力中，電磁力和引力可以作為人類探索宇宙的強有力手段。目前，電磁手段雖然還沒有達到用盡的程度，但是其侷限性已經開始顯現。

LIGO天文臺成功探測到了引力波，無疑給宇宙學注入了一針強心劑。引力波作為不同於電磁波的一個全新視窗將對人類認識自然界和宇宙空間產生巨大影響，雙信使天文學的新紀元已經來臨。