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仰望時間的起點,重力波

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參與監測的郭兆林教授(右二)

科學家找到了相對論中尚未證實的最後一塊拼圖──重力波,可望讓我們更了解宇宙誕生的瞬間。

文/洪志良

「遍尋你千百回也不厭倦」這句話,或許是最適合用來形容重力波(gravitational wave)這個集眾多科學家之力、費盡巧思仍找尋不到的現象,當然也適用於科學家努力不懈追尋科學真理的精神。

終於,在2014年3月18日,美國研究團隊宣佈已找到「初始重力波」,印證了愛因斯坦的預測。大約在100年前,愛因斯坦意識到,「重力」其實是具有質量的物體彎曲了時空結構的表現。若超大質量的物體(例如黑洞)激烈晃動時,時空也會跟著晃動起來,產生重力波。不過愛因斯坦認為,重力波非常微弱,以致於永遠無法觀測到,而重力波也是至今相對論中尚未證實的最後一塊拼圖。

1974年,侯斯(Russell Hulse)與泰勒(Joseph Taylor)研究了一對互相繞行的波霎與超緻密中子星。他們推論,若相對論正確無誤,則互相繞行的這對天體應該能夠產生重力波,使它們的軌道縮小、速率變快。在經年累月的觀測後,數據結果完全符合侯斯與泰勒的預測,兩位天文學家也於1993年榮獲諾貝爾物理獎。

侯斯與泰勒的研究成果間接證實了重力波的存在,但是仍然沒有直接觀測到重力波。後來,美國斥資5億7000萬美元搭建雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO),經歷10多年的觀測,仍然鎩羽而歸,沒有接收到重力波的訊號。在那之後,科學家設計了各式各樣的儀器,例如2009年升空的普朗克衛星(Planck)、位於南極的南極望遠鏡(SPT)等,耐心守著天空,卻依然不見重力波的影子。

奇蹟出現

在全球科學家的苦心等候之下,奇蹟終於出現了!由美國哈佛史密森尼天文物理中心、史丹佛大學、加州理工大學、明尼蘇達大學等組成的研究團隊,利用位在南極的BICEP2望遠鏡,避開了較強訊號來源的天體、觀測乾淨的天空,他們從宇宙微波背景(CMB)中首次找到了早期宇宙時空漣漪所留下的足跡──B模態偏振(B-mode polarization)。

CMB是大霹靂後旅行了約140億年才抵達地球的電磁波,會有電場和磁場在方向上的變動,或稱為偏振性。依據現在的物理理論,只要有日月星辰的存在,就會使CMB產生E模態偏振。1980年,粒子物理學家古斯(Alan Guth)提出了「暴脹理論」。這個理論指出,在大霹靂後約10-36~10-32秒內,宇宙經歷了一段極為快速的膨脹。暴脹理論解釋了宇宙學的數個難題,例如宇宙為什麼這麼老?為什麼如此均勻?而宇宙在暴脹過程中,擾動時空結構,形成了初始重力波,初始重力波則會讓CMB具有B模態偏振。

暴脹理論提出後,又有許多其他的理論闡述了早期宇宙的形成面貌,包括一些不支持重力波的理論。這一次美國研究團隊的研究成果不但確立了重力波以及暴脹理論,也否定了其他理論。畢業於台灣大學物理系、現為史丹佛大學助理教授的郭兆林也是團隊成員之一,他說:「我們找到了暴脹理論的證據,而且我們也得到了第一幅重力波劃過天空的影像。」

 

本文刊載於《科學人》2014年第146期4月號

關於作者

科學人

《科學人》雜誌-遠流出版公司於2002年3月發行Scientific American中文版,除了翻譯原有文章更致力於本土科學發展與關懷。