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2017年諾貝爾物理獎:重力波的探測

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撰文者:余海峯 博士 (物理雙月刊副總編)
發文日期:2017-10-03
點閱次數:9251
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    2017年諾貝爾物理獎,一半授與萊納・魏斯(Rainer Weiss),另一半平分授與基普・索恩(Kip S. Thorne)以及巴里・巴里什(Barry C. Barish),以表彰他們預測愛因斯坦的最後預言——時空漣漪,重力波(gravitational wave)——及建立其探測器——位於美國的激光干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)及位於歐洲的處女座干涉儀(VIRGO Interferometer)——的貢獻。
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    長久以來,人類只能以一種方法探索宇宙:光。遙遠星光越過百億年時空,進入我們的眼睛,帶給人類無窮的物理資訊。隨著科技進步,望遠鏡越來越精良,人類看得越來越遠。然而,宇宙中有一道由光構成的牆壁,就在宇宙誕生的38萬年後,光在此前被高溫離子散射,光線無法穿越。另外,當兩個黑洞互相環繞,它們會越繞越接近,最終碰撞在一起結合為一,此過程中沒有任何光線會發射出來。因此,若只靠觀察光線,我們永達無法得知宇宙初期以及黑洞旁邊究竟發生了什麼事。

    愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論(general relativity)取代了牛頓萬有引力定律。廣義相對論之中,萬有引力,即重力,不再被描述為一種力。廣義相對論指出,質量和能量會令時空扭曲,而彎曲了的時空又會改變物質的軌跡。重力,原來是物體在四維時空凹陷的位置「墜落」的錯覺。

    當兩個質量非常大的天體,例如黑洞(black hole),它們互相環繞之時,會不斷大幅度地改變時空彎曲的狀態。時空會被扭成漣漪狀,能量會經由這時空漣漪向外傳遞。這種時空中的漣漪,就是我們稱為重力波的效應。因此,兩個天體的能量就會不斷流失,導致它們越來越互相靠近,最後相撞。

    天文學家早就觀察到宇宙中某些成對的中子星(neutron star,密度非常高的天體)會互相越繞越近,其軌道衰減速率與廣義相對論預言的重力波輻射非常吻合,是為重力波的間接觀測證據。

    2015年9月14日,人類科學踏出了歷史性的一大步,LIGO直接測量到廣義相對論最後一個未證實的預言:重力波。這個發現,就如同人類演化以來首次生火同樣重要。重力波與光線一樣以光速前進,並能夠以極小的衰減率穿過物質的阻隔持續行進。相反,光線在穿越物質時會被散射或者吸收。所以,天文學家期待重力波能夠幫助我們看穿早期宇宙高溫之牆、告訴我們不發光的黑洞周圍發生了什麼有趣的事情,當然還有其他更多等著我們去發掘、探索的東西。

    直接探測到重力波,開啟了一個全新的科學領域——重力波天文學。誰知道,大自然在宇宙中放置了些什麼有趣的東西,一些人類想也未想過的物理過程,等著我們用重力波去看一看?

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