文章轉載自“格緻論道講壇”
“天籁”是一種宇宙的韻律，
我們想要探測宇宙大爆炸産生的聲音，
然後用它去了解暗能量到底是一種什麼東西。
陳學雷· 中國科學院國家天文台研究員 宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家
格緻論道第22期 | 2017年11月25日 北京
宇宙是怎樣開始的呢？有的朋友說，宇宙開始于一個大爆炸。
這是上個世紀一些科學家提出來的一種大膽猜想，後來這種理論被觀測證明了。
宇宙的未來是怎樣的？
既然宇宙開始于大爆炸，那麼它有沒有結束？未來是什麼樣子呢？
其實提出宇宙大爆炸理論的這些科學家也做了一些預言，他們假定宇宙中充滿了各種物質，然後使用愛因斯坦的廣義相對論去預測宇宙的命運。
大家可以看到左面展示的是大爆炸的過程，而右面的這幅圖上展示的是對未來的預測。
宇宙經過大爆炸以後，它就處在膨脹中，由于物質萬有引力的作用，它會使膨脹慢慢變慢，變慢以後會怎麼樣呢？
這就取決于這裡面物質的多少，和一開始膨脹的速度之間的關系。
如果這個膨脹的速度一開始不是那麼大，而物質很多，那麼造成的結果就是它膨脹到一定程度以後，膨脹就會慢慢地減速，最後減到一定程度，很可能就停止了膨脹。然後又開始收縮，收縮到一定程度以後，最後就進入了一個“大塌縮”的狀态。
大塌縮之後宇宙會變成什麼樣子?目前并不知道，因為到那個時候，所有的能量和密度都太高了，現在的理論都無法描述。
如果宇宙一開始的時候膨脹速度比較快，而這個物質并沒有那麼多，它也會使宇宙的膨脹減速，但是減速可能不足以使它停下來，這樣的話宇宙就會一直的膨脹下去。
也就是這幅圖裡右邊的兩種圖景——它一直膨脹，但是減慢的速度可能沒有那麼明顯。
這就是過去，大家對宇宙的未來的認識，那是不是這樣子呢？到底這幾種情況哪一種是對的呢？
加速膨脹的宇宙
已完成：10%//////////
在上個世紀的八十年代，有一些科學家想要解決這個問題，但是都面臨一個很大的困難，就是我們怎麼才能判斷到底是哪一種情況呢？
這個辦法就是測量不同時刻宇宙膨脹的速度。
左邊這幅圖上展示的是日常生活當中很常見的測量速度的方法。
宇宙學當中的這個情況略有不同，但道理是一樣的，就是測量宇宙中的不同時刻，它膨脹到底有多快，然後看看它的速度是怎麼變化的。
當然宇宙學當中一個很大的問題在于，我們并不知道怎麼樣測量這個距離。
自古以來，想要了解天體的距離就是非常困難的。
比如說，我們國家有一個著名的寓言，據說孔子遇到了兩個小孩在辯論：太陽到底是在早晨的時候離我們近一些，還是在中午的時候離我們近一些？
兩個小孩都提出了一些很好的論據，孔子就沒有辦法決定了，這就是所謂“兩小兒辯日”的故事。
實際上想要測量像太陽這樣一個離我們比較近的天體的距離，并不是那麼容易，要測量更遠處的天體，當然就更難一些。但是科學家還是提出了一些方法。一種辦法就是通過所謂“标準燭光”來測量距離。
什麼叫标準燭光呢？
在19世紀的時候，人們為了研究光學，發明了一種比較标準的蠟燭，這些蠟燭點出來以後，光的亮度都是一樣的。
把它放在不同的距離上，可以看到，越遠的蠟燭看上去越暗一些，這就是标準燭光的作用。
就是我們知道它的絕對發光亮度，又可以測出它看上去有多亮，根據這兩者之間進行比較，就可以知道天體到底有多遠了。
問題在于我們有沒有這樣的蠟燭呢？
科學家們找到了一種這樣的“蠟燭”，這個“蠟燭“就是Ia型的超新星。
什麼是超新星呢？
天空中的星星，有一些暗，有一些亮，亮的大多是離太陽系比較近的一些恒星。有時這些恒星會突然發生爆炸——爆炸往往是因為到了它的壽命尾期，或者由于它的核心塌縮，或者是由于吸積了别的物質。
在宋朝的1054年，大家突然發現白天裡出現了一顆星，非常非常亮，在白天都可以清楚地看到。
這顆星就是著名的1054年超新星，它遺留下來的爆炸痕迹今天還可以在天空中看到，就是所謂的蟹狀星雲。
這顆超新星的爆炸亮度最大的時候，可以達到太陽亮度的100億倍。
上圖的右邊，就可以看到，一個星系中一顆超新星爆發以後，它非常非常亮。
雖然它這麼亮，但是要在宇宙的距離上看到它，還是很困難的。我們需要在非常遠的地方找到這樣的超新星。
天文學家在漫天星鬥中尋找這種超新星，可能就是有一個地方稍微亮了一點兒，亮的那一點兒實際上就是個超新星。
超新星有不同的種類。其中有一種超新星叫做Ia型的超新星，它的亮度經過一些修正後，可以作為一種标準燭光，并且可以拿它來确定距離。
在20年前，當時國際上有兩個互相競争的科學家團隊，這兩個團隊有一個驚人的發現。
他們當時本來是想要測量宇宙到底是持續地膨脹下去，還是到一定程度以後會減速最後轉成收縮，結果他們發現這兩種情況都不對。
他們發現的是什麼結果呢？
宇宙膨脹是在加速，越脹越快。
這項結果轟動了全球，其中貢獻最大的幾位科學家也獲得了諾貝爾實體學獎。
神奇的暗能量
已完成：30%//////////
這就給我們提出了一個問題，就是為什麼宇宙膨脹越來越快？原來這些大爆炸的提出者的預言錯了嗎？
科學家們進一步提出了各種理論，最終得到了一個結論，就是宇宙當中可能含有大量的暗能量。
現在組成宇宙的普通物質隻占我們這個宇宙的5%左右，剩下的95%以上的，很可能都是一些我們不知道的物質，其中有百分之二十多是所謂的暗物質。
雖然暗物質不發光，我們看不到它，但是根據它的引力可以推測，它在星系或者星系團中大量存在，占這個宇宙的百分之二十多。
它的性質還算不難了解，它畢竟是産生萬有引力的。
而這個暗能量，它的性質就非常奇異。它的效應是使得宇宙的膨脹加速，也就是說相當于某種萬有斥力一樣，這是一種很神奇的東西。
正因為它這種神奇，我們給它起了個名字叫做“暗能量”，但是它到底是什麼？我們其實并不知道。
有了暗能量以後，宇宙的命運就會發生很大的變化。就是它不但在膨脹，而且膨脹得越來越快。
這樣的一個宇宙會出現什麼情況呢？
上圖就展示了一種可能性，就是我們現在的星系周圍還有很多别的星系。
但是宇宙這樣膨脹下去，而且越脹越快，别的星系就會越來越少，因為它們都被膨脹到遠處去了。
經過900多億年以後，很可能最後就剩下我們自己孤零零地在這裡，周圍什麼星系也看不見了。
我們這個宇宙可能就會在永恒的孤寂當中結束，就是永遠待在這裡，但是這也隻是一種可能性。
因為我們并不知道暗能量到底是什麼，是以它也存在着别的可能性。
有可能暗能量會越來越多。如果越來越多的話，它甚至很可能不光是把别的星系都脹到遠處，而是我們自己的這個星系最後沒準也會被拉散開，甚至地球會被拉散開，我們的原子會被拉散開，這種就叫做“大撕裂”，這是一種可能性。
在這種情況下，宇宙到底會變成什麼樣子？我們又不知道了。
還有一種可能就是說，這個暗能量現在在驅動宇宙加速膨脹，但也許在未來某一天，它又反過來會使宇宙收縮，也有這種可能性。
是以這些可能性都是存在的，隻有解開宇宙的暗能量之謎，才能夠回答宇宙的命運是什麼。
如何解開暗能量之謎？
已完成：40%//////////
但是怎麼解開這個謎呢？
首先我們需要對它有一個很精确的測量，提供給搞理論研究的人去分析。
實際上這個理論的研究者很多。目前的暗能量理論大概有幾百種，這些理論都有一些理論上的出發點，但是都沒有充足的證據。是以我們需要觀測去解決這個問題。
但是超新星的觀測是不是就足夠了呢？
其實有很多科學家對這個理論也是質疑的，就是說超新星是一種标準燭光，它爆炸的時候都是同樣的亮度，或者不是同樣的亮度，但是修正一下可以當做同樣的亮度。
但是，也許我們對超新星的認識是不完全的，也許存在着一些奇異的超新星，使我們誤解了它。
有沒有這種可能性呢？有這種可能性。
我們的辦法就是用盡可能多的方式去測量它。其中一種辦法就是用宇宙大爆炸時候産生的聲波振蕩來測量，聲波振蕩為什麼能用來測量這個東西呢？
上圖左邊有一個水塘，在雨天裡落下來雨滴，你會發現上面有很多圓形的波紋，顯然波紋是雨滴打到水上激起的，
仔細看的話，這些波紋有大有小。為什麼會有大有小呢？因為雨滴落進去的時刻是不一樣的。
但是假如一桶水潑到這個湖面上，你會發現所有的水都是同一個時刻落在水上，它激起的波也是同樣的，這樣的話，所有的圓環都是同樣大小的。
這個同樣大小的圓環，如果混在一起，可能我們肉眼就已經不好分辨它了。
如果我們有一種數學的方法去對它進行分析，我們還是可以看出來這些圓環到底已經膨脹多大了。
用這種辦法，我們提供了一種新的尺子，就是宇宙距離的“标準尺”來測量宇宙，這是另一種測量距離的方法，可以去檢驗甚至更精密地測量暗能量到底是什麼東西。
可能大家會問，我們宇宙中的“水”是什麼呢？
水在這個情況下就是星系的分布。
上面這幅圖裡，我們相當于站在中心,向周圍遠方望去,宇宙中存在着大量的星系。圖中每一個點，無論是桔色的點，還是綠色的點，實際上都代表一個星系。
這些星系分布的狀态，如果仔細看，它其實是不規則的。但是它好像又暗含着某種規則，就是它看上去像是一些纖維狀的結構，但是我們看不出來有什麼特殊之處。
如果把它分解成不同波長的話，你會發現它整體上、在比較大的尺度上（上圖左側），它比較高；在小的尺度上（上圖右側），它又會降下去。
降下去的過程中，它有一些振蕩的痕迹。
如果我把整個降下去這部分去掉，你會看到中間的小插圖裡有振蕩的痕迹。
這個振蕩的尺度，就告訴我們宇宙不同的距離尺度，用它我們就可以了解宇宙距離是多少，是怎麼樣膨脹的。
用這種方法得到上圖，其中灰色的線代表的是原來用超新星做的觀測，藍色的線代表的是用這種方法測到的觀測。
大家會發現藍色線都在這個灰色的上面，這都是幾年以前的一次觀測，資料也在不斷地變化。
但是超新星和用這種聲波振蕩的方法測出來的距離，并不完全一緻。
這種不完全一緻到底僅僅是誤差造成的，還是說有什麼更深刻的意義？
現在還不了解，還需要更精确地進行觀測。
國際上把暗能量作為目前一個很重大的科學問題，有很多很多實驗去測量它。
包括未來發射的衛星，比如歐幾裡得衛星、WFIRST衛星，也包括更新一些地面的大型望遠鏡去進行觀測等，但是這些觀測大部分都是在光學波段的。
這樣的話也有一個問題，我們看不到暗能量，做的這些觀測都是有很多假定的。
那麼光學觀測看到的都是同樣的恒星，會不會又有一些我們不了解的效應在欺騙我們呢？
射電觀測，也就是無線電觀測，提供了另外一種視角。
上圖展示的是光學看到的星系（左）和用射電波段看到的同一個星系（右）。
在無線電波段，或者叫射電波段，我們能看到什麼呢？
其實這個宇宙中，最多的一種元素——不是在暗物質和暗能量中——在普通的物質中最多的一種元素是氫，因為氫元素在宇宙大爆炸中就形成了。
這個氫元素會産生一種波長為21厘米的輻射，波長21厘米實際上就是一種微波，這種微波輻射是可以被探測到的。
如果去測量這個輻射的強度，就會看到這個星系裡頭的中性氫，或者說氫原子是怎麼樣分布的。
這裡展示了一個星系裡的氫原子，希望提出用一種新的方法，也就是微波或者是無線電的方法，去進行這樣的觀測。
當然這個觀測難度也是很大的。左邊這個圖展示的是美國的Arecibo望遠鏡，它的口徑是300米，在之前幾十年的時間裡，它都是世界第一的射電望遠鏡。
它觀測到的右圖，可以看到有很多藍點是光學觀測的，而紅點是無線電觀測的。
大家會發現紅點少很多，而且距離也不是很遠，實際上就是說它的靈敏度相對光學來說還是差一些。
那有了更好的望遠鏡是不是就能夠看得更遠呢？我們國家建成了世界最大的單天線望遠鏡FAST。
FAST的設計師南仁東先生已經去世了。
2006年，南仁東先生提出要研制FAST，他也建議用FAST去做宇宙學的研究。
FAST雖然靈敏度提高了，但是看的距離還是有限的。而且，FAST雖然已經很大了，但是如果要去看星系的話，還是看不太清楚，看不太清楚的話會不會有影響呢？
後來再仔細想了一下，發現問題也不大。
上圖每一個點代表一個星系，我們去看整個星系的話，如果我們的分辨率不夠，就看不出來單個的星系，它們都混在一起了，就成了下面那個圖。
雖然看不見單個的星系，但能看到它們整個是怎麼樣分布的，用這種方法還可以進一步提高靈敏度，看到更遠的宇宙。
而且，除了FAST本身可以做這方面的研究以外，研制專門的望遠鏡，也許用更小成本就可以實作更好的探測。
傾聽宇宙的韻律
已完成：60%//////////
這樣就提出了“天籁計劃”。
這時候國外也有很多人提出了同樣的想法，是以我們組成了“天籁聯盟”。
“天籁”這個詞來自莊子，他在《齊物論》中提到“天籁、地籁、人籁”。“地籁”，像風刮過山谷的聲音。“人籁”，像人吹奏樂器的聲音。
天籁是什麼呢？
“天籁”是一種宇宙的韻律。我們想要探測宇宙大爆炸産生的聲音，然後用它去了解暗能量到底是一種什麼東西。
到目前為止，全世界有好多個實驗在做宇宙距離上的中性氫，但誰也沒有能夠做到。
為什麼呢？
因為如果你去看宇宙遠處的中性氫，就像我們左邊這個圖最後的那個中性氫産生的信号。
在它前面疊加着一個很強的亮光，這個很強的亮光來自銀河系，也就是右邊圖上展示的銀河系的前景。銀河系前景輻射，比21厘米的信号大概強10萬倍左右。
是以我們要想看到這個21厘米信号，就好像我們白天想要看到星星一樣。星星在那裡，但是它淹沒在大氣散射的陽光中了。
必須用非常精密的手段把這個東西減掉，才能看到這個信号。那麼能不能減掉呢？
幸運的是，大自然還是給了我們一個機會。
因為銀河系産生的這種同步輻射，或者說前景輻射，它是一種頻譜很光滑的東西，看上去很平滑，是一條直線，或者是稍微有點兒彎曲的光滑的曲線。把這個東西減掉以後，就會展現出氫原子的分布，造成21厘米輻射強度的變化。
是以原則上這是可以做到的，但是它需要非常精密的儀器和複雜的資料處理手段。
從2012年得到了立項支援以後，展開相關研究，在興隆、内蒙古架設小型的天線進行這方面的實驗。
我們還需要選一個最好的站址，因為天文産生的射電信号是非常微弱的，而地面上的像雷達、電視、手機等都會産生很強的幹擾信号，我們必須避開這些幹擾信号。
怎麼樣才能找到這種幹擾信号最少的地方呢？
當然人煙越稀少産生的信号就越會少，最好周圍有一些山遮擋一下。
但是，要是跑到一個無人區的地方，或者是海島上，也有一個問題，就是還需要提供電力、通訊、道路等等，這是一個綜合問題。
我們在全國選了大量的站址，跑了一百多處地方。從站址分布中大家可以看到，有很多分布在内蒙古。
我們一開始想在内蒙古找，原因就在于内蒙古離北京很近，對我們做實驗是比較友善的。
但遺憾的是，後來我們發現内蒙古雖然人比較稀少，但地形太平了，一望無際的大草原，電波都可以傳過來，是以幹擾還是很嚴重的。
這個圖是在FAST望遠鏡的周邊，我們也做過選址，大家可以看到那些綠色的，是我們通過遙感地圖找出來的一些小平地。
另外我們也去選了青海、西藏和新疆的很多地方。
我們當時跑這些地方很辛苦，但是也很有意思，見到了很多平時不容易見到的情況。
貴州平塘建設FAST的地方，我們最終還是放棄了，原因在于這個地方它的山很陡，非常非常陡。
我們可以帶着裝置走到裡頭，裡邊也有平地，但是車要翻過這個山就比較困難了，需要專門炸山修路。
這對于FAST這樣很大的望遠鏡來說是可以的，但對于我們一開始做的這種小實驗來說，成本太高，周期太長，我們就放棄了。
最後我們去了新疆，我們在新疆也跑了好幾十個點。
這是最後我們找到的新疆的巴裡坤，它位于新疆的東部，是絲綢之路上的一個小城。
大家有機會可以去瞧一瞧，非常美麗，在這個城的旁邊就是雪山，也有漢代和唐代遺留下來的這種“烽燧”。這個地方條件很艱苦，但是好處在于人煙确實比較稀少。
我們最後選站的站址離剛才說的那個小城還有160公裡，人非常少，偶爾會碰上一些牧民和駱駝、羊。
我們在當地進行了建設，在建設的過程中，很多同僚和同學們付出了艱苦的努力。
圖中展示的是我們在安裝天線。冬季如果降雪，做這個工作也很困難，當時我們的幾位同僚步行幾公裡，進入這個地方去進行維修和測試。
右下看上去穿着打扮像民工的這位，是我們組的吳鋒泉副研究員，他寫過很多論文。同時他還是一個多面手，能開鏟車，也能修得了鏟車，還能給我們搭建各種東西。
當時進去做維修很困難，他就自己帶幾個馕進去。夏天我們場地裡有一些野生的沙蔥，他就拔幾根沙蔥用水洗一下，就着馕吃。
我感到非常欣慰的是，我們的同僚和同學們沒有計較自己的付出，而是一起齊心協力把這個建成了。
這就是我們現在建成的望遠鏡陣列——天籁陣列。
前面一些圓形的我們叫碟形陣，後面是所謂的柱形陣。
對于這兩種陣，大家可能會疑問，為什麼要弄出兩種來？其實作在也有一些争論，到底哪一種更有優勢？我們通過比較來了解。
這個是柱形陣的另外一張照片。
這是我們的站房，在冬天那地方還是比較冷的。
我們在去年首次實作了初光的觀測。
大家可以看到，右邊就是我們用初光觀測産生的天圖，左邊對應的是其它望遠鏡之前測到的天圖。我們現在隻是一次初步的測試，是以這還是一個不太靈敏的結果。
大家會看到，左邊天圖上的一些東西，右邊也都看到了，但是右邊還有一些左邊沒有的。
這當中有的是像移動的源，比如說像太陽造成的，也有的是初步結果裡的一些假象，通過進一步的數學處理可以把它去掉。
我們下一步就要研究怎麼把它處理掉，獲得更好的圖像。
如果最後我們取得成功的話，就要把這個陣列擴充出來去做整個的觀測。
如果成功的話，我們會非常好地限制暗能量模型，甚至有可能探測到暗能量到底是不是随着宇宙的膨脹在變化。
為什麼要去做天籁實驗呢？
其實這個實驗是有争議的，有很多人不一定完全贊同我的觀點，但是我為什麼要去做這個試驗呢？能發表更多的論文嗎？
其實不是，因為原來我做理論的時候，隻要動動腦子很快就可以寫出論文，而這個是要花很多時間去進行實驗的工作。
更容易出成果嗎？
當然也不是，這個工作實際上全世界目前都還沒有成功，大家都在探索。
能保證取得成功嗎？
我們不敢保證，因為有一些21厘米的實驗已經進行十多年了，現在也還沒有任何結果出來。
我們現在去嘗試這個東西，并不知道什麼時間能夠取得成功。但是我為什麼要去做它呢？
因為我覺得非常幸運，它給了我一個探索宇宙和發現新事物的機會。
最後分享一段引力波測試的視訊。
2015年前，人們第一次看到了引力波，轟動了全球。
但是引力波提出了以後，經過了近百年的嘗試。
從六十年代大家就開始去做實驗，一直到現在，經過幾十年的多少代人的嘗試，才最終實作了這樣的探測。
實際上我原來還認為很可能我們的實驗會比引力波先成功，但現在引力波已經成功了，我們還沒有成功，但是我相信，遲早有一天我們也會取得成功的！
- END -