假设你想瞥见时间的开端，宇宙创造的最初时刻。你可能会从建造一台完美的望远镜开始，这是一种非常强大的仪器，强大到可以看到可观测宇宙的尽头。你会勘察一个干燥的山顶，远离城市灯光造成的星光衰退。你会在靠近山峰的地方平整一块地基，并在上面放置一个最先进的天文台。你会为它配备一面巨大的镜子——比任何可以发射到太空的镜子都要大得多——并为它配备一系列精密的探测器。你将花费数年时间和数十亿美元，以便让每一个光子都触手可及。但是你能用它看到什么呢？假设那是天文学家千载难逢的一个夜晚，月亮躲在地平线以下，天空呈现出晴朗、黑暗的穹顶。从那紫黑色的天体景象展示柜中，会闪耀出什么珍宝呢？
事实证明，还真不少。在前景中，你会看到一些行星，它们的轨道在星座固定的旋转中漂移。在它们之外，近处的恒星会显得很大，背景是微弱的白色斑点。在天空较暗的角落，星系会发光，有些来自数亿光年之外。如果你把完美的望远镜对准正确的地点，它仍然可以揭示更深邃的宇宙深处。它可以带你到最早的恒星——巨大的氢和氦球体，它们炽热的表面照亮了年轻的宇宙。
但是光有局限性；它无法向你展示整个宇宙。你可以整夜、每晚都用望远镜观察，但永远看不到黑洞的中心，也无法回到时间本身的黎明。在大爆炸后的最初几十万年里，婴儿宇宙的光子被困在稠密的、光线窒息的粒子汤中，就像密封在污泥中的萤火虫。直到大爆炸后38万年，宇宙才冷却成某种透明的东西，并且为了我们的目的，变得可辨认——一个真空，创造之光可以通过它被看到。我们称这种闪光为宇宙微波背景辐射 (CMB)，它是现代宇宙学的主要文本。它也是一堵墙，一道时间屏障，超越它，黑暗统治一切。
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几个世纪以来，仔细收集远古之光一直是观察宇宙的主要方式，也是宇宙学最雄心勃勃的实验的关键。但是光无法照亮时间的开端，无论我们的望远镜变得多么巨大和复杂。为了超越 CMB，回到宇宙的黎明，宇宙学家必须转向引力，一种在空间中留下自身回声的力——我们称之为引力波的回声。为了探测这些回声，我们将需要一种新型仪器，一种与望远镜非常不同的东西。
首批探测器
建造能够探测引力波的仪器的探索始于几十年前，但到目前为止，事实证明是徒劳的。在撰写本文时，耗资 5.7 亿美元的激光干涉引力波天文台 LIGO 是迄今为止最好的尝试[参见 W. Wayt Gibbs 的“时空涟漪”；大众科学，2002 年 4 月]。它由三个仪器组成，两个在华盛顿州，一个在路易斯安那州。这些仪器中的每一个都是工程奇迹，一种基于激光的测量尺，能够探测到原子宽度的抽搐。LIGO 的工作原理是向两条垂直臂发射激光束，并测量它们之间长度的差异——这种策略被称为激光干涉测量法。如果足够大的引力波来临，它将改变手臂的相对长度，来回推拉它们。本质上，LIGO 是一个天体的耳机，一个巨大的麦克风，聆听隐藏宇宙微弱的交响曲。
像许多奇异的物理现象一样，引力波起源于理论概念，是方程式的产物，而不是感官体验。阿尔伯特·爱因斯坦是第一个意识到他的广义相对论预言了引力波的存在的人。他明白，有些物体是如此巨大且移动如此之快，以至于它们会扭曲时空结构本身，并在其中发出微小的波浪。
有多小？如此之小，以至于爱因斯坦认为它们永远不会被观察到。但 1974 年，两位天文学家，拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒，通过一项巧妙的实验推断出它们的存在，这是一项对称为双星脉冲星的天文物体的仔细研究[参见 J. M. Weisberg 等人的“来自轨道脉冲星的引力波”；大众科学，1981 年 10 月]。脉冲星是长期爆炸的恒星的旋转、闪烁的核心。它们以惊人的规律性旋转和闪烁，这种品质深受天文学家的喜爱，他们将它们用作宇宙时钟。在双星脉冲星系统中，一颗脉冲星和另一个物体（在本例中，是一颗超高密度的中子星）相互绕行。赫尔斯和泰勒意识到，如果爱因斯坦的相对论是正确的，那么螺旋运行的星对会产生引力波，这些引力波会从系统中消耗轨道能量，收紧轨道并加速其运行。两位天文学家绘制出了脉冲星可能的路径，然后观察了多年，以查看收紧的轨道是否在数据中显示出来。收紧不仅显示出来，而且与赫尔斯和泰勒的预测完全吻合，在图表上如此清晰地落下，并彻底证实了爱因斯坦的理论，以至于 1993 年，两人被授予诺贝尔物理学奖。
LIGO 的麻烦在于，它只能在双星脉冲星的最后时刻听到它们，那时它们的恒星螺旋加速，产生一系列强烈的波浪，像无形的宇宙死亡嘎嘎声一样在空间中传播。我们的宇宙可能很大且充满恒星，但双星坍缩很少见。为了有规律地听到它们，你必须将你的耳朵对准宇宙的巨大区域。直到最近，LIGO 的探测范围还仅限于一个空间区域，该区域可能几个世纪都不会发生双星坍缩。
但是 LIGO 的第一次建造只是一个试运行，是一种解决仪器集成在公里级范围内的工程缺陷的方法。现在 LIGO 的工程师们知道他们可以使一个复杂的探测器工作，他们正在升级其灵敏度，以便很快它将能够探测到来自 5 亿光年之外的双星坍缩——这一改进可能使其每年能够听到数百次此类事件。事实上，大多数天体物理学家预计 LIGO 将在 2016 年回归后的几个月内实现引力波的首次直接探测——爱因斯坦预测 100 周年。
原子波
尽管 LIGO 耗资巨大，但其雄心壮志是有限的。在某些方面，它是一项概念验证任务，是在引力波科学提升到其最自然的环境：太空之前，必要的首要步骤。我们的星球对于引力波天文台来说是一个糟糕的地方，因为它的地壳不断受到地震噪声的冲击——这是地球表面下轰鸣的构造碰撞和地表上晃荡的海洋的产物。所有这些摇晃和震动都可能轻易淹没引力波微弱的、物质转移的细丝。为了听到更广泛的引力波，我们需要一个位于大气层以外深渊中的探测器，那里的条件要宁静得多。
在 NASA 戈达德太空飞行中心，两个工程师团队正在定位自己，成为第一个将引力波探测器送入太空的团队。其中较老的团队已经完善其任务，激光干涉仪空间天线 (LISA) 数十年了。LISA 任务是一项大胆的工程项目，它要求的精度使 LIGO 相比之下看起来像乐高玩具。它需要发射三艘宇宙飞船，这些宇宙飞船以边长为 500 万公里的等边三角形的形式绕太阳运行。一旦宇宙飞船就位，它们之间的距离将通过激光持续测量。如果引力波滚过，扰乱宇宙飞船并扭曲三角形，激光将捕获它。
自三十多年前，引力波科学的一些先驱在 NASA 物理学会议的鸡尾酒餐巾纸上勾勒出 LISA 的基本设计以来，LISA 的基本设计并没有太大变化。但随着时间的推移，它变得更加精细，因为工程师们一直在努力应对将其雄心勃勃的设计变为现实的实际挑战。在 1990 年代后期和 2000 年代初期，LISA 成为了 NASA 下一个旗舰天体物理任务的早期竞争者，紧随詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 之后。但在那之后的几年里，JWST 吞噬了 NASA 大部分的天体物理预算，并且由于 LIGO 没有探测到任何东西，天文学家发现很难为一个数十亿美元的引力波探测器辩护。LISA 等任务的绿灯可能还需要十年以上的时间。
这些延迟为 NASA 的绘图板上创造了新颖的想法空间，即如何在太空中探测引力波。该机构高级概念部门内的一个小型团队最近开始开发一种基于称为原子干涉测量法的新兴技术的新型引力传感器。该团队组织松散，到目前为止，它的工作几乎不能说是构成了一个全面的任务。其主要负责人——JWST 的干涉仪工程师 Babak Saif 和斯坦福大学应用物理学教授 Mark Kasevich 都专注于其他工作。这对他们来说是一个副业，可以在工作周的空隙中摆弄和梦想的东西。
二月份，我拜访了 Saif 在戈达德激光实验室之一，在那里他正慢慢开始建造原子干涉仪，他期望这项技术将成为更小、更灵敏的引力波探测器的基础。作为世界上最负盛名的太空研究实验室之一，戈达德是许多拥有耀眼学术背景的科学家的家园，但 Saif 的起点较为卑微。在 17 岁时从伊朗移民到美国后，Saif 的家人在弗吉尼亚州北部定居，在那里他开始在当地社区学院学习科学和数学课程。Saif 在加油站上夜班以养活自己，并证明自己是学校里的一个快学生。1981 年，他获得了美国天主教大学的全额奖学金，并在那之后的几年里完成了两个博士学位。在来到戈达德之前，Saif 在太空望远镜科学研究所工作了十年，在那里他设计了干涉仪，最终将测试 JWST 的镜子。Saif 的干涉仪将确保镜子的精度达到纳米级，以避免哈勃太空望远镜在轨道上运行时因镜子未对准而遭遇的惨败重演。
Saif 解释说，他和 Kasevich 的任务概念与 LISA 的概念相似，因为它涉及测量轨道宇宙飞船之间的距离。但是，LISA 通过组合从宇宙飞船之间发射的激光束的光来测量距离变化，而 Saif 和 Kasevich 的任务将改为使用位于宇宙飞船外部的原子。由于原子干涉仪测量的是原子云而不是宇宙飞船之间的距离，因此它可以小得多。其目前的设计要求臂长比 LISA 设计短 5000 倍。
这项技术的威力在于其精度。引力波可能会将宇宙飞船之间的距离移动不到万亿分之一毫米，但原子干涉仪仍将检测到这种差异。
然而，并非所有人都对原子干涉测量法感到兴奋。太空科学的有限资金导致了 Saif 的原子干涉测量团队和 LISA 团队之间的紧张关系。这两个任务概念在某些方面是相似的。两者都需要宇宙飞船之间的精确协调，并且两者都利用干涉测量法进行精确测量。但根据 Saif 的说法，从光干涉测量法到原子干涉测量法的转变将允许更便宜、更灵敏的探测器，并减少宇宙飞船之间巨大的距离；后者长期以来一直是 LISA 批评者的症结所在。
LISA 的人反驳说，原子干涉测量法的成本节省归因于它的新颖性。他们指出，对新技术充满希望的鼓吹者往往低估了开发的高昂成本。一个设计的真实价格标签只有在任务到位后才会显现出来，他们说，因为只有到那时你才会开始看到系统集成带来的更困难的工程挑战。
光的麻烦
在戈达德，我问 Saif 是什么促使他将业余时间花在这样一个推测性的任务上，一个可能永远不会飞行的任务。他告诉我，是新物理学的可能性让他着迷。他说他预计未来几十年将迎来天文学领域的一个划时代转变——从光子到引力子的转变。
事实上，引力波有助于弥补光的许多科学缺陷——而不仅仅是它无法告诉我们时间的开端。光作为信息载体还有其他局限性。首先，它是粒子之间相互作用的产物。当光涌入宇宙时，它宣告了微小事件的发生，例如恒星内部氢聚变成氦。它是无限小的记录。如果我们想了解大型物体如何在时空中移动，我们必须汇总来自大量微小事件的光，并用它来进行推断。我们必须拼凑一个表面马赛克。
更糟糕的是，光偏向了我们对宇宙的看法，因为它倾向于来自热力学强度高的环境。天文学中大型的、值得关注的光信号是火热事件的产物，例如恒星在超新星死亡阵痛中。当我们召唤宇宙到脑海时，我们看到的结构倾向于炎热、混乱的地方。
光信号也很脆弱。它们经常在穿越宇宙的过程中被稀释或完全消失。有些被路径上的巨大气体云吸收。另一些则散射或落入深引力井中，再也听不到。最深的引力井是超大质量黑洞，宇宙结构的支柱，整个星系都围绕着它旋转。科学家们想更多地了解这些黑洞——尤其是当其中两个黑洞合并在一起时会发生什么——但是来自黑洞的光永远不会到达我们的望远镜或眼睛，因为光子，尽管速度很快，也无法逃脱黑洞中心吸力。
相反，宇宙学家不得不满足于黑洞没有吞噬的光，从黑洞外围，从被困在周围时空剧烈扭曲中的物质中涌出的光。幸运的是，引力波信号不像光那样容易受影响。它们不会散射或稀释。相反，它们干净利落地在宇宙中涟漪，几乎不受路径中天体物理巨头的阻碍。*
原始回声
在我去戈达德几周后，我拜访了普林斯顿大学天体物理学系主任、世界顶尖宇宙学家之一的大卫·斯珀格尔。斯珀格尔担任国家研究委员会宇宙学和基础物理学十年调查委员会主席，该委员会的报告在确定宇宙学长期研究重点方面发挥着重要作用。众所周知，NASA 特别关注其建议，这意味着斯珀格尔对该机构决定执行哪些科学任务具有超乎寻常的发言权。
当我们在他的办公室坐下时，斯珀格尔开始详细介绍引力波的优势。他解释说，与光不同，宇宙一直对引力波是透明的。没有原始时代，引力波会被奇怪的宇宙条件隐藏起来。事实上，引力波可以毫不费力地从大爆炸后的最初时刻传播到我们这里。但是我们如何知道当时存在引力波呢？
“要产生引力波，你必须非常快速地移动大量物质，一种方法是通过相变，”斯珀格尔告诉我。当物理系统改变状态时，就会发生相变。经典的例子是水结冰，但也存在宇宙规模的相变，其中一些相变发生在宇宙大爆炸后不久。以夸克为例。今天，夸克主要束缚在原子核中，但在宇宙的最初几微秒内，它们在宇宙学家称之为夸克-胶子等离子体的物质中自由地嗡嗡作响。在某个时刻，宇宙从这种夸克-胶子等离子体转变为由质子和中子组成的新相。
“如果你有像那样的 一级相变，气泡就会在等离子体中形成，导致大量物质剧烈移动，”斯珀格尔说。一级相变突然发生，当新相的气泡在旧相中形成时。这些气泡膨胀和碰撞，直到旧相完全消失，完成转变。这个过程的混乱会产生强烈的引力波，这些引力波可能今天正在我们身上冲刷。探测到它们可以让我们首次瞥见宇宙的婴儿期。
可能还有更古老的引力波。在一些宇宙暴胀模型中，宇宙最初的指数级膨胀爆发与时空的量子涨落同时发生——涟漪导致宇宙的某些区域比其他区域膨胀得更快。这些涨落可能产生了一种特殊的引力波，称为随机引力波，这种引力波会在宇宙年龄小于万亿分之一的万亿分之一的万亿分之一秒时形成[参见 Robert R. Caldwell 和 Marc Kamionkowski 的“来自宇宙大爆炸的回声”；大众科学，2001 年 1 月]。
斯珀格尔告诉我：“大多数宇宙暴胀模型都预测了来自宇宙早期部分的这种随机引力波背景。”“如果我们能够观察到它，它可能会向我们展示基础物理学。它可以向我们展示宇宙在能量尺度上是什么样子的，那是大型强子对撞机所能达到的能量尺度的 10
13 倍，”他说。
追求随机引力波是一项高风险的科学。探测它们将非常困难。这将需要一种特别灵敏的仪器和细致的数据分析，才能从轰击太空探测器的无数引力波信号中筛选出珍贵的原始波。如果你可以从天堂的每个角落收集到这个信号，并清除掉杂散噪声，你就会得到一个随机引力波背景，一个引力波的全天图。你将拥有一部新的宇宙学基础文本来仔细研究。
LISA 和 Saif 的原子干涉测量概念的任务设计都旨在探测来自更保守的目标的引力波，例如黑洞合并。在头脑发热的日子里，LISA 的设计师们梦想着建造一个宇宙大爆炸天文台，这是一个专门针对随机引力波的后续任务。但是这样的天文台始终是一个渺茫的希望，一个离实施还有几十年之遥的想法。Saif 告诉我，他想颠倒任务顺序，先追逐随机引力波，但到目前为止，他制定的设计目标与 LISA 相同。保守的方法是对更广泛的天体物理学家群体的一种外交上的安抚，他们对引力波科学很感兴趣，但希望它从已知存在的物体开始，缓慢起步。
斯珀格尔告诉我：“超大质量黑洞碰撞是引力波实验的日常工作。”“如果我们发射其中一艘宇宙飞船，但没有听到巨大的黑洞碰撞，那么我们的宇宙图景肯定出了问题，”他说。“但全垒打信号是宇宙学。”
在某个时候，斯珀格尔的十年调查委员会可能会发现自己需要在黑洞和宇宙学之间做出选择，或许还需要在原子干涉测量法和光干涉测量法之间做出选择。委员会计划在本十年中期重新召开会议，评估和调整其在 2010 年设定的路线。当下一次此类调查到来时，JWST 将已发射，大概会为一项雄心勃勃的太空科学任务腾出资金。
当我站起来要离开时，我问斯珀格尔他是否有一个早期的最爱，他是否认为 Saif 的任务会在长期内胜过 LISA。他告诉我，他不相信原子干涉测量概念会胜出，但他相信它足够有趣，值得认真思考。然后他给我讲了一个故事。“很多年前，远在他获得诺贝尔奖之前，我正在和史蒂文·朱谈论如何做伟大的科学，他告诉我一些我永远不会忘记的事情，”斯珀格尔边送我出门边说。“他说你必须让自己处于能够进行可能重要的实验的位置，”他继续说道。“我认为这两个实验都属于这一类。”
*更正（10/2/13）：本段最后两句话是错误的。引力波可以被散射或稀释，但只是勉强，并且干净利落地在宇宙中涟漪，几乎不受路径中天体物理巨头的阻碍。
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