假設你想瞥見時間的開端，宇宙創造的最初時刻。你可能會從建造一臺完美的望遠鏡開始，這是一種非常強大的儀器，強大到可以看到可觀測宇宙的盡頭。你會勘察一個乾燥的山頂，遠離城市燈光造成的星光衰退。你會在靠近山峰的地方平整一塊地基，並在上面放置一個最先進的天文臺。你會為它配備一面巨大的鏡子——比任何可以發射到太空的鏡子都要大得多——併為它配備一系列精密的探測器。你將花費數年時間和數十億美元，以便讓每一個光子都觸手可及。但是你能用它看到什麼呢？假設那是天文學家千載難逢的一個夜晚，月亮躲在地平線以下，天空呈現出晴朗、黑暗的穹頂。從那紫黑色的天體景象展示櫃中，會閃耀出什麼珍寶呢？
事實證明，還真不少。在前景中，你會看到一些行星，它們的軌道在星座固定的旋轉中漂移。在它們之外，近處的恆星會顯得很大，背景是微弱的白色斑點。在天空較暗的角落，星系會發光，有些來自數億光年之外。如果你把完美的望遠鏡對準正確的地點，它仍然可以揭示更深邃的宇宙深處。它可以帶你到最早的恆星——巨大的氫和氦球體，它們熾熱的表面照亮了年輕的宇宙。
但是光有侷限性；它無法向你展示整個宇宙。你可以整夜、每晚都用望遠鏡觀察，但永遠看不到黑洞的中心，也無法回到時間本身的黎明。在大爆炸後的最初幾十萬年裡，嬰兒宇宙的光子被困在稠密的、光線窒息的粒子湯中，就像密封在汙泥中的螢火蟲。直到大爆炸後38萬年，宇宙才冷卻成某種透明的東西，並且為了我們的目的，變得可辨認——一個真空，創造之光可以透過它被看到。我們稱這種閃光為宇宙微波背景輻射 (CMB)，它是現代宇宙學的主要文字。它也是一堵牆，一道時間屏障，超越它，黑暗統治一切。
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幾個世紀以來，仔細收集遠古之光一直是觀察宇宙的主要方式，也是宇宙學最雄心勃勃的實驗的關鍵。但是光無法照亮時間的開端，無論我們的望遠鏡變得多麼巨大和複雜。為了超越 CMB，回到宇宙的黎明，宇宙學家必須轉向引力，一種在空間中留下自身回聲的力——我們稱之為引力波的回聲。為了探測這些回聲，我們將需要一種新型儀器，一種與望遠鏡非常不同的東西。
首批探測器
建造能夠探測引力波的儀器的探索始於幾十年前，但到目前為止，事實證明是徒勞的。在撰寫本文時，耗資 5.7 億美元的雷射干涉引力波天文臺 LIGO 是迄今為止最好的嘗試[參見 W. Wayt Gibbs 的“時空漣漪”；大眾科學，2002 年 4 月]。它由三個儀器組成，兩個在華盛頓州，一個在路易斯安那州。這些儀器中的每一個都是工程奇蹟，一種基於雷射的測量尺，能夠探測到原子寬度的抽搐。LIGO 的工作原理是向兩條垂直臂發射雷射束，並測量它們之間長度的差異——這種策略被稱為雷射干涉測量法。如果足夠大的引力波來臨，它將改變手臂的相對長度，來回推拉它們。本質上，LIGO 是一個天體的耳機，一個巨大的麥克風，聆聽隱藏宇宙微弱的交響曲。
像許多奇異的物理現象一樣，引力波起源於理論概念，是方程式的產物，而不是感官體驗。阿爾伯特·愛因斯坦是第一個意識到他的廣義相對論預言了引力波的存在的人。他明白，有些物體是如此巨大且移動如此之快，以至於它們會扭曲時空結構本身，並在其中發出微小的波浪。
有多小？如此之小，以至於愛因斯坦認為它們永遠不會被觀察到。但 1974 年，兩位天文學家，拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒，透過一項巧妙的實驗推斷出它們的存在，這是一項對稱為雙星脈衝星的天文物體的仔細研究[參見 J. M. Weisberg 等人的“來自軌道脈衝星的引力波”；大眾科學，1981 年 10 月]。脈衝星是長期爆炸的恆星的旋轉、閃爍的核心。它們以驚人的規律性旋轉和閃爍，這種品質深受天文學家的喜愛，他們將它們用作宇宙時鐘。在雙星脈衝星系統中，一顆脈衝星和另一個物體（在本例中，是一顆超高密度的中子星）相互繞行。赫爾斯和泰勒意識到，如果愛因斯坦的相對論是正確的，那麼螺旋執行的星對會產生引力波，這些引力波會從系統中消耗軌道能量，收緊軌道並加速其執行。兩位天文學家繪製出了脈衝星可能的路徑，然後觀察了多年，以檢視收緊的軌道是否在資料中顯示出來。收緊不僅顯示出來，而且與赫爾斯和泰勒的預測完全吻合，在圖表上如此清晰地落下，並徹底證實了愛因斯坦的理論，以至於 1993 年，兩人被授予諾貝爾物理學獎。
LIGO 的麻煩在於，它只能在雙星脈衝星的最後時刻聽到它們，那時它們的恆星螺旋加速，產生一系列強烈的波浪，像無形的宇宙死亡嘎嘎聲一樣在空間中傳播。我們的宇宙可能很大且充滿恆星，但雙星坍縮很少見。為了有規律地聽到它們，你必須將你的耳朵對準宇宙的巨大區域。直到最近，LIGO 的探測範圍還僅限於一個空間區域，該區域可能幾個世紀都不會發生雙星坍縮。
但是 LIGO 的第一次建造只是一個試執行，是一種解決儀器整合在公里級範圍內的工程缺陷的方法。現在 LIGO 的工程師們知道他們可以使一個複雜的探測器工作，他們正在升級其靈敏度，以便很快它將能夠探測到來自 5 億光年之外的雙星坍縮——這一改進可能使其每年能夠聽到數百次此類事件。事實上，大多數天體物理學家預計 LIGO 將在 2016 年迴歸後的幾個月內實現引力波的首次直接探測——愛因斯坦預測 100 週年。
原子波
儘管 LIGO 耗資巨大，但其雄心壯志是有限的。在某些方面，它是一項概念驗證任務，是在引力波科學提升到其最自然的環境：太空之前，必要的首要步驟。我們的星球對於引力波天文臺來說是一個糟糕的地方，因為它的地殼不斷受到地震噪聲的衝擊——這是地球表面下轟鳴的構造碰撞和地表上晃盪的海洋的產物。所有這些搖晃和震動都可能輕易淹沒引力波微弱的、物質轉移的細絲。為了聽到更廣泛的引力波，我們需要一個位於大氣層以外深淵中的探測器，那裡的條件要寧靜得多。
在 NASA 戈達德太空飛行中心，兩個工程師團隊正在定位自己，成為第一個將引力波探測器送入太空的團隊。其中較老的團隊已經完善其任務，雷射干涉儀空間天線 (LISA) 數十年了。LISA 任務是一項大膽的工程專案，它要求的精度使 LIGO 相比之下看起來像樂高玩具。它需要發射三艘宇宙飛船，這些宇宙飛船以邊長為 500 萬公里的等邊三角形的形式繞太陽執行。一旦宇宙飛船就位，它們之間的距離將透過雷射持續測量。如果引力波滾過，擾亂宇宙飛船並扭曲三角形，雷射將捕獲它。
自三十多年前，引力波科學的一些先驅在 NASA 物理學會議的雞尾酒餐巾紙上勾勒出 LISA 的基本設計以來，LISA 的基本設計並沒有太大變化。但隨著時間的推移，它變得更加精細，因為工程師們一直在努力應對將其雄心勃勃的設計變為現實的實際挑戰。在 1990 年代後期和 2000 年代初期，LISA 成為了 NASA 下一個旗艦天體物理任務的早期競爭者，緊隨詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 之後。但在那之後的幾年裡，JWST 吞噬了 NASA 大部分的天體物理預算，並且由於 LIGO 沒有探測到任何東西，天文學家發現很難為一個數十億美元的引力波探測器辯護。LISA 等任務的綠燈可能還需要十年以上的時間。
這些延遲為 NASA 的繪圖板上創造了新穎的想法空間，即如何在太空中探測引力波。該機構高階概念部門內的一個小型團隊最近開始開發一種基於稱為原子干涉測量法的新興技術的新型引力感測器。該團隊組織鬆散，到目前為止，它的工作幾乎不能說是構成了一個全面的任務。其主要負責人——JWST 的干涉儀工程師 Babak Saif 和斯坦福大學應用物理學教授 Mark Kasevich 都專注於其他工作。這對他們來說是一個副業，可以在工作周的空隙中擺弄和夢想的東西。
二月份，我拜訪了 Saif 在戈達德雷射實驗室之一，在那裡他正慢慢開始建造原子干涉儀，他期望這項技術將成為更小、更靈敏的引力波探測器的基礎。作為世界上最負盛名的太空研究實驗室之一，戈達德是許多擁有耀眼學術背景的科學家的家園，但 Saif 的起點較為卑微。在 17 歲時從伊朗移民到美國後，Saif 的家人在弗吉尼亞州北部定居，在那裡他開始在當地社群學院學習科學和數學課程。Saif 在加油站上夜班以養活自己，並證明自己是學校裡的一個快學生。1981 年，他獲得了美國天主教大學的全額獎學金，並在那之後的幾年裡完成了兩個博士學位。在來到戈達德之前，Saif 在太空望遠鏡科學研究所工作了十年，在那裡他設計了干涉儀，最終將測試 JWST 的鏡子。Saif 的干涉儀將確保鏡子的精度達到奈米級，以避免哈勃太空望遠鏡在軌道上執行時因鏡子未對準而遭遇的慘敗重演。
Saif 解釋說，他和 Kasevich 的任務概念與 LISA 的概念相似，因為它涉及測量軌道宇宙飛船之間的距離。但是，LISA 透過組合從宇宙飛船之間發射的雷射束的光來測量距離變化，而 Saif 和 Kasevich 的任務將改為使用位於宇宙飛船外部的原子。由於原子干涉儀測量的是原子雲而不是宇宙飛船之間的距離，因此它可以小得多。其目前的設計要求臂長比 LISA 設計短 5000 倍。
這項技術的威力在於其精度。引力波可能會將宇宙飛船之間的距離移動不到萬億分之一毫米，但原子干涉儀仍將檢測到這種差異。
然而，並非所有人都對原子干涉測量法感到興奮。太空科學的有限資金導致了 Saif 的原子干涉測量團隊和 LISA 團隊之間的緊張關係。這兩個任務概念在某些方面是相似的。兩者都需要宇宙飛船之間的精確協調，並且兩者都利用干涉測量法進行精確測量。但根據 Saif 的說法，從光干涉測量法到原子干涉測量法的轉變將允許更便宜、更靈敏的探測器，並減少宇宙飛船之間巨大的距離；後者長期以來一直是 LISA 批評者的癥結所在。
LISA 的人反駁說，原子干涉測量法的成本節省歸因於它的新穎性。他們指出，對新技術充滿希望的鼓吹者往往低估了開發的高昂成本。一個設計的真實價格標籤只有在任務到位後才會顯現出來，他們說，因為只有到那時你才會開始看到系統整合帶來的更困難的工程挑戰。
光的麻煩
在戈達德，我問 Saif 是什麼促使他將業餘時間花在這樣一個推測性的任務上，一個可能永遠不會飛行的任務。他告訴我，是新物理學的可能性讓他著迷。他說他預計未來幾十年將迎來天文學領域的一個劃時代轉變——從光子到引力子的轉變。
事實上，引力波有助於彌補光的許多科學缺陷——而不僅僅是它無法告訴我們時間的開端。光作為資訊載體還有其他侷限性。首先，它是粒子之間相互作用的產物。當光湧入宇宙時，它宣告了微小事件的發生，例如恆星內部氫聚變成氦。它是無限小的記錄。如果我們想了解大型物體如何在時空中移動，我們必須彙總來自大量微小事件的光，並用它來進行推斷。我們必須拼湊一個表面馬賽克。
更糟糕的是，光偏向了我們對宇宙的看法，因為它傾向於來自熱力學強度高的環境。天文學中大型的、值得關注的光訊號是火熱事件的產物，例如恆星在超新星死亡陣痛中。當我們召喚宇宙到腦海時，我們看到的結構傾向於炎熱、混亂的地方。
光訊號也很脆弱。它們經常在穿越宇宙的過程中被稀釋或完全消失。有些被路徑上的巨大氣體雲吸收。另一些則散射或落入深引力井中，再也聽不到。最深的引力井是超大質量黑洞，宇宙結構的支柱，整個星系都圍繞著它旋轉。科學家們想更多地瞭解這些黑洞——尤其是當其中兩個黑洞合併在一起時會發生什麼——但是來自黑洞的光永遠不會到達我們的望遠鏡或眼睛，因為光子，儘管速度很快，也無法逃脫黑洞中心吸力。
相反，宇宙學家不得不滿足於黑洞沒有吞噬的光，從黑洞外圍，從被困在周圍時空劇烈扭曲中的物質中湧出的光。幸運的是，引力波訊號不像光那樣容易受影響。它們不會散射或稀釋。相反，它們乾淨利落地在宇宙中漣漪，幾乎不受路徑中天體物理巨頭的阻礙。*
原始回聲
在我去戈達德幾周後，我拜訪了普林斯頓大學天體物理學系主任、世界頂尖宇宙學家之一的大衛·斯珀格爾。斯珀格爾擔任國家研究委員會宇宙學和基礎物理學十年調查委員會主席，該委員會的報告在確定宇宙學長期研究重點方面發揮著重要作用。眾所周知，NASA 特別關注其建議，這意味著斯珀格爾對該機構決定執行哪些科學任務具有超乎尋常的發言權。
當我們在他的辦公室坐下時，斯珀格爾開始詳細介紹引力波的優勢。他解釋說，與光不同，宇宙一直對引力波是透明的。沒有原始時代，引力波會被奇怪的宇宙條件隱藏起來。事實上，引力波可以毫不費力地從大爆炸後的最初時刻傳播到我們這裡。但是我們如何知道當時存在引力波呢？
“要產生引力波，你必須非常快速地移動大量物質，一種方法是透過相變，”斯珀格爾告訴我。當物理系統改變狀態時，就會發生相變。經典的例子是水結冰，但也存在宇宙規模的相變，其中一些相變發生在宇宙大爆炸後不久。以夸克為例。今天，夸克主要束縛在原子核中，但在宇宙的最初幾微秒內，它們在宇宙學家稱之為夸克-膠子等離子體的物質中自由地嗡嗡作響。在某個時刻，宇宙從這種夸克-膠子等離子體轉變為由質子和中子組成的新相。
“如果你有像那樣的 一級相變，氣泡就會在等離子體中形成，導致大量物質劇烈移動，”斯珀格爾說。一級相變突然發生，當新相的氣泡在舊相中形成時。這些氣泡膨脹和碰撞，直到舊相完全消失，完成轉變。這個過程的混亂會產生強烈的引力波，這些引力波可能今天正在我們身上衝刷。探測到它們可以讓我們首次瞥見宇宙的嬰兒期。
可能還有更古老的引力波。在一些宇宙暴脹模型中，宇宙最初的指數級膨脹爆發與時空的量子漲落同時發生——漣漪導致宇宙的某些區域比其他區域膨脹得更快。這些漲落可能產生了一種特殊的引力波，稱為隨機引力波，這種引力波會在宇宙年齡小於萬億分之一的萬億分之一的萬億分之一秒時形成[參見 Robert R. Caldwell 和 Marc Kamionkowski 的“來自宇宙大爆炸的回聲”；大眾科學，2001 年 1 月]。
斯珀格爾告訴我：“大多數宇宙暴脹模型都預測了來自宇宙早期部分的這種隨機引力波背景。”“如果我們能夠觀察到它，它可能會向我們展示基礎物理學。它可以向我們展示宇宙在能量尺度上是什麼樣子的，那是大型強子對撞機所能達到的能量尺度的 10
13 倍，”他說。
追求隨機引力波是一項高風險的科學。探測它們將非常困難。這將需要一種特別靈敏的儀器和細緻的資料分析，才能從轟擊太空探測器的無數引力波訊號中篩選出珍貴的原始波。如果你可以從天堂的每個角落收集到這個訊號，並清除掉雜散噪聲，你就會得到一個隨機引力波背景，一個引力波的全天圖。你將擁有一部新的宇宙學基礎文字來仔細研究。
LISA 和 Saif 的原子干涉測量概念的任務設計都旨在探測來自更保守的目標的引力波，例如黑洞合併。在頭腦發熱的日子裡，LISA 的設計師們夢想著建造一個宇宙大爆炸天文臺，這是一個專門針對隨機引力波的後續任務。但是這樣的天文臺始終是一個渺茫的希望，一個離實施還有幾十年之遙的想法。Saif 告訴我，他想顛倒任務順序，先追逐隨機引力波，但到目前為止，他制定的設計目標與 LISA 相同。保守的方法是對更廣泛的天體物理學家群體的一種外交上的安撫，他們對引力波科學很感興趣，但希望它從已知存在的物體開始，緩慢起步。
斯珀格爾告訴我：“超大質量黑洞碰撞是引力波實驗的日常工作。”“如果我們發射其中一艘宇宙飛船，但沒有聽到巨大的黑洞碰撞，那麼我們的宇宙圖景肯定出了問題，”他說。“但全壘打訊號是宇宙學。”
在某個時候，斯珀格爾的十年調查委員會可能會發現自己需要在黑洞和宇宙學之間做出選擇，或許還需要在原子干涉測量法和光干涉測量法之間做出選擇。委員會計劃在本十年中期重新召開會議，評估和調整其在 2010 年設定的路線。當下一次此類調查到來時，JWST 將已發射，大概會為一項雄心勃勃的太空科學任務騰出資金。
當我站起來要離開時，我問斯珀格爾他是否有一個早期的最愛，他是否認為 Saif 的任務會在長期內勝過 LISA。他告訴我，他不相信原子干涉測量概念會勝出，但他相信它足夠有趣，值得認真思考。然後他給我講了一個故事。“很多年前，遠在他獲得諾貝爾獎之前，我正在和史蒂文·朱談論如何做偉大的科學，他告訴我一些我永遠不會忘記的事情，”斯珀格爾邊送我出門邊說。“他說你必須讓自己處於能夠進行可能重要的實驗的位置，”他繼續說道。“我認為這兩個實驗都屬於這一類。”
*更正（10/2/13）：本段最後兩句話是錯誤的。引力波可以被散射或稀釋，但只是勉強，並且乾淨利落地在宇宙中漣漪，幾乎不受路徑中天體物理巨頭的阻礙。
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