宇宙信使的追光者丨科学讲坛——曹臻

本文转载自公众号 中国科学院高能物理研究所

“弹巴赫不能想任何事情，但凡有一点杂念，马上就弹不出来了。”说这话的人，是中国科学院院士、高能宇宙线实验物理学家、高海拔宇宙线观测站“拉索”首席科学家曹臻。他几乎每天都要听巴赫，在他眼里，巴赫是一个“科学家型的音乐家”，极其严谨，音乐里藏着一个无穷无尽的宇宙。而曹臻自己，正是一位在宇宙中寻找“音符”的人。他是一位钢琴爱好者，同时是一名高能物理学家。他研究的是高能宇宙线——来自宇宙深处、携带着洪荒能量的神秘粒子。2021年，一座灵敏度全球领先的“航母级”宇宙线观测站在四川稻城横空出世，它的设计者正是曹臻。这个被称为“拉索”（LHAASO）的庞然巨阵，让中国在高能宇宙线研究领域一跃站上国际潮头。当一位研究高能宇宙线的院士弹奏起巴赫，他的脑海里究竟会浮现出怎样一个世界？答案，写在4410米的海子山上，写在那些穿越亿万年时光而来的粒子轨迹里。

拉索，“呀啦嗦”！

LHAASO，是高海拔宇宙线观测站英文单词的简称，恰好是“拉索”——在藏语里，“呀啦嗦”是欢呼的意思，拉索由此得名。曹臻说，它是“迎接宇宙信使的装置”，宇宙的信使就是宇宙线。

自1912年奥地利科学家赫斯在气球实验中发现它以来，其起源与加速机制始终是国际物理学界悬而未决的世纪难题，更被列为“新世纪11个科学问题”之一。这些看不见摸不着的粒子携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境的重要信息，是人类探索宇宙的重要窗口。研究宇宙线，归根到底是在追寻三个问题：这些粒子是什么？它们的家在哪里？它们的出现又将带给我们怎样的启示？

为破解这一谜题，中国科学家从20世纪50年代起便踏上高海拔宇宙线观测的征程。从海拔3180米的云南落雪山宇宙线实验室，到4300米的西藏羊八井国际宇宙线观测站，几代科研人员在雪域高原上接力探索。而“拉索”，正是中国第三代宇宙线观测站。

2009年，曹臻提出“拉索”方案，把世界上最先进的四种探测器巧妙结合起来，同时覆盖高、中、低三个能区的观测，这在国际上是首创。然而在当时，这个方案并不被看好。国际上另外两个极具竞争力的观测计划——欧洲的切伦科夫望远镜阵列和美国的高海拔水切伦科夫观测计划相继浮出水面，光环都在那两家身上。有德国科学家直言不讳：你花这么多钱，建完了可能什么都看不见。前辈们曾站在国际宇宙线大会上，被同行毫不客气地嘲讽为“零”。曹臻深知，要扭转这种局面，只能靠成果说话。

海子山上筑天阵

选址成为项目落地的首道难关。要足够高——离天近一点；要足够平——容得下铺陈；还要有一汪清澈充沛的水——能留住那些转瞬即逝的信号。从2008年4月到2014年3月期间，曹臻带着队伍踩过不知多少荒无人烟的角落。最终，稻城县海子山以独特的综合优势脱颖而出：海拔4410米，能有效减少大气对宇宙线测量的不利影响；优质水源丰富，特别适合以水为探测介质的探测器设计。

这片被上天眷顾的土地，转过头来就给了所有人一个下马威。第一次来，非常荒芜，他们还在河湾里看见了狼。4410米，高原反应成了施工人员的梦魇。头痛像影子一样跟随着每一个人，夜里翻来覆去睡不着。“1188个位置，是一个一个找出来的。”曹臻说。缪子探测器的间距是每30米一个，要在乱石堆中找到这样整齐的位置，全靠人力在石头间跳跃穿行。

2016年8月，基础设施建设启动；2017年6月正式开工。最多时同时上阵600名工人，一半却因为高原反应退出。工期紧得像一首被加速的急板。“后墙是不能倒的，”曹臻说，“最后要验收的那一天就要验收，工期越调越紧，时间压力非常大。”拉索中央的大池子——水切伦科夫探测器，是这首急板里最容易出错的音符。它占地7.8万平方米，蓄水36万吨，水深5米。要进去做任何一次工作，都必须划着船。一号水池竣工在即，注水倒计时归零那天，团队准备好了红酒和香槟，等着庆祝——结果水管冻坏了，全是冰疙瘩，一滴水都放不出来。众人连夜拆其他管子重新接，接完的管道到处漏水，水一喷出来马上结冰，那晚零下将近20度。干到凌晨三点也没整过来，直到第二天下午六点，注水才终于成功。曹臻在工地写下两句话，后来凝成了“海子山精神”：再难也要克服，就是要做这做不了的事。

工程之难之外，曹臻心里清楚，真正的难是国际同行的质疑和冷眼，是心底的孤独。他的老朋友、意大利科学家迪特瑞，比他大十几岁，是少数真正理解拉索重要性的人。迪特瑞来工地时，走上楼梯都需要曹臻扶着，却在看到这片阵列时流下了眼泪——“我们真正实现了他这一辈子想实现而实现不了的事。”可惜迪特瑞2024年过世了，没能等到拉索最辉煌的时刻。“人生难得知己，”曹臻说。但技术创新，最终让所有质疑闭嘴。团队首次在大视场成像切伦科夫望远镜中大规模使用新型硅光电管，改变了这类望远镜不能在月夜工作的传统观测模式——传统望远镜必须等完全没有月亮的夜晚，有效观测时间最多只占24小时的10%，飘一片云就全完了；用上硅光电管后，月亮出来照样观测，有效观测时间立刻提高到20%以上，大大提升了观测能力。从2017年主体工程启动到2021年全阵列建成，仅用4年，创造了高山宇宙线观测站建设的世界纪录。2023年5月，拉索通过国家验收。

“拉索”解码起源谜

2021年，拉索精确测定了标准烛光蟹状星云的超高能段亮度，在0.5万亿到1100万亿电子伏的宽广范围内进行了精确测量，直逼经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限。说到蟹状星云，这里有一段跨越千年的呼应。曹臻把它称为“福星”——“福星高照”的那个福星。宋朝年间，中国人在天关方向看到一颗白天都亮着的星，在天上挂了28天，史称“天关客星”。900多年过去，拉索记录到的最高能量光子，恰恰来自这个地方。“900多年前中国人记录了它，1000年后拉索又见到了它从蟹状星云发来的信号，”曹臻说，“现在就到我们来说话的时候了。我们拼命建这么大、这么好的观测设备，就是要争夺这种话语权，将来对整个宇宙的解释就由我们来说话。”

2024年，拉索认证首个超级宇宙线加速源，2025年，揭示了宇宙线能谱“膝”结构成因之谜。更令人振奋的是，拉索的观测结果把拍电子伏宇宙线起源这件事"几乎锁定了”——答案指向黑洞。传说中连光都吞得下去的无底洞，居然向拉索吐出了高能光子。“黑洞吃相不好看，但吐出来还是很漂亮的，”曹臻风趣地说，“它吐出来的东西就是两个很漂亮的喷柱。”

拉索落成仅两年便取得重大突破，大幅逼近破解宇宙线起源这一世纪之谜的最终目标。如今，拉索已成为国际粒子天体物理三大实验设施之一，30家国内外学术机构并肩入列，成为该领域绕不开的“取经圣地”。其成果入选2023年度“中国科学十大进展”。2026年5月，从天府宇宙线研究中心又传来消息：拉索在银河系捕捉到新的超级粒子加速器。

上山入海再启程

面对成果，拉索没有止步，它继续启程。拉索上新了，团队计划新增一个由望远镜组成的新阵列。这种新型望远镜由54面镜子拼接而成，采用两层玻璃中间加铝蜂窝的薄玻璃技术——曹臻领衔团队与中国电科第五十四所合作，花了五年时间攻克。建36台这样的探测装置，欧洲人报价4.5亿欧元，而中国只花了1.6亿人民币。“国产化的目的并不是纯粹为了国产化，”曹臻说，“还是要做更进一步的性能提升。”预计到2028年，36台新型望远镜将在拉索场地上每天对着宇宙转动。

“宇宙无垠，信使有痕。”矗立在拉索基地大门两侧立柱上的这八个大字，道尽了宇宙线研究的深远意义。

旁人眼中的痛苦求索，在曹臻眼里是另一番模样。“这个乐趣太大了，”他笑着说，“你这个吃苦根本不是回事。”他爱骑自行车，骑龄超过40年。在北京时骑妙峰山，连续爬坡25公里；到了成都，又和来自俄罗斯的同事拉起一支队伍。前几个星期摔了一跤，一个多月后照骑不误。他说这是放空自己的方式。

因为继拉索之后，又一个揭开宇宙成因奥妙的伟大工程正在成都天府宇宙线研究中心悄然孵化。那是海底中微子探测项目。高能宇宙线粒子在一次碰撞后会产生一对“孪生兄弟”：一个是容易被看见的光子，拉索专门捕捉它带来的信号；另一个是完全的“隐身人”——中微子，被称为“幽灵粒子”。“就像破案一样，”曹臻打比方，“如果知道有两个证据，其中一个一定要存在，找不到这个证据，案子就结不了。”他们计划在海底布置一个立体探测装置：30立方公里的体积，两个边长6公里的正方体，竖起一公里长的探测绳，上面挂着一个个浮力很大的球体——“冰糖葫芦串”。这是目前世界上该领域最前沿的事。

院士对谈：

我们相信或真存在外星文明

院士对谈环节，是《大先生》第五季的一大亮点。

在首期节目中，曹臻院士与中国锦屏深地核天体物理实验首席科学家柳卫平院士展开了一场从宇宙最高能量到最低能量的“全能”对谈。

对于两位研究宇宙的院士来说，对于“是否存在外星文明”这一话题他们是如何看待的呢？曹臻认为，在小小的银河系里，像太阳这样的恒星就有1000亿颗，“有一个长得跟地球跟太阳差不多的，这不是太容易了吗？1000亿分之一有什么？我觉得这个概率很高的。”当被问及如果能够与地外文明交流最想问什么，曹臻的回答朴实而直接：“我就问他，宇宙线怎么产生的就完了。他如果比我牛，他就告诉我了。”而柳卫平则更关心他们的外貌和沟通方式的建立。谈及宇宙是否有终极规律，曹臻以物理学史作答——牛顿时代以为一切都能用机械过程解释，麦克斯韦统一电磁学后大家又觉得一切可以用电磁来解释。结果“两朵乌云”催生了相对论和量子力学。“你问我有没有终极理论？我认为没有。”

柳卫平反问曹臻：太阳系年龄几十亿年，普通人寿命不过百年，这么短暂的生命对宇宙演化有什么意义？曹臻的回答朴素而有力：“恰恰相反，你会觉得自己的生命才这么短，把你这一生过好就行。把自己的事情做好，对宇宙有更多的了解，能够帮助大家了解更多，是非常有趣的一件事情。”

从巴赫到宇宙线，从海子山到万米深海，《大先生》第五季首期节目记录下的，不仅是曹臻院士一个人的求索之路，更是一代中国科学家不断崛起、走向国际舞台的精神缩影。

来源：北京科协 北京科普发展与研究中心

文章转载自"中国科学院高能物理研究所"公众号