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簡單明瞭的重力波捕獲現場——科學超抖宅報

太空,人類的終極邊疆。[1]

身在地球的我們,對於遠在宇宙其他角落的事情,要如何得知呢?除了像〈星際爭霸戰〉裡親自跑一趟之外,最簡單的方法,當然是從地球直接察看。很幸運地,許多的星體現象(如超新星)或天文事件(像雙中子星的碰撞),常常會產生電磁輻射。藉由簡單如肉眼、或是各種電磁波段的望遠鏡,我們便能發覺、甚至研究宇宙的奧妙。事實上,早在公元185年,人類就已有超新星(Supernova)的觀測紀錄

不過,很多時候上述手段並不適用、或者不見得能夠得到我們想要的資訊。

廣義相對論,二十世紀最知名物理學家亞伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)的真知灼見,則提供了我們另一種可能的分析管道——重力波。

愛因斯坦認為,時間和空間並非獨立存在的;我們在空間中的運動,實際上也會影響到自己時間的流逝快慢[2]——時間和空間是一體的,合稱為時空(spacetime)。不僅如此,因為質量會產生重力,而當有質量的物體在時空中加速運動時,就像水面上航行的船隻泛起漣漪,重力的變化會以光速、類似波的形式向外傳播——我們稱之為重力波[3]

Credit: LIGO Lab

兩個互相環繞的重物產生時空的漣漪(Credit: LIGO Lab)

但是,重力波要如何偵測呢

試著想像:如果有一天,太陽不見了(先不管它是被某個宇宙大王消滅了還是怎麼樣),相應的重力波抵達地球時,我們會觀察到什麼現象呢?或許有人會說,此時地球應該有更嚴重的麻煩,但沒關係,基於科學家的求知慾,我們就是想在世界末日時測量重力波。[4]

回到水面漣漪的例子。假設有兩隻小蟲飄浮在水面上,當漣漪經過小蟲時,會發生什麼事呢?從日常生活經驗,我們知道小蟲會隨著水面的變化而起伏。即使它們從頭到尾沒有移動,兩隻小蟲的相對位置還是會因水面的波動而產生改變——這也是重力波通過地球時預期會發生的事情。當時空因為重力波而擾動,兩個靜止的物體間距應該會有些微的改變,我們便能依此原理設計實驗觀測。

雷射干涉重力波天文台的設施一瞥(圖片來源:Nature Photonics)

雷射干涉重力波天文台的設施一瞥(圖片來源:Nature Photonics

非常可惜的是,重力波的觀測相當不容易。即使是最猛烈的天文事件(例如一開始提到的超新星、或雙中子星等),其產生的重力波等到越過遼闊的宇宙抵達地球,對實驗裝置的空間距離造成的影響微乎其微,無論如何也比原子核的直徑要小千倍、萬倍,幾乎感覺不到它的存在;鄰近地球卻又沒有夠強力的重力波源(往另個方向想,對地球的生物或許是件好事,不用擔心極端天文現象的威脅)。這也是為什麼人類至今都尚未成功觀測到重力波。[5]

反過來說,若重力波很輕易就可以被觀測、甚至強到在我們日常生活中都能感覺到,那會發生什麼事?這下子,我們自己可就成了水面上的小蟲了:所在空間無處不搖晃、扭曲,把我們搞得七葷八素,比地震還恐怖——那將會是全星球的震動和變形。

然而!重力波偵測就在不久前(2016年2月11日,台灣時間晚上十一點半)有了新的突破性進展!雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱LIGO)正式宣佈從雙黑洞互相環繞進而碰撞、融合成新黑洞的系統觀測到其存在。

source:LIGO

LIGO團隊藉由雙黑洞系統觀測到重力波的存在(Credit: LIGO Lab)

在廣義相對論發表剛過一百週年的現在,令諸多物理學家魂牽夢縈的重力波終於向人類顯露出它的尾巴——這絕對是物理學界重要的里程碑。對於實驗細節有興趣的讀者,不妨閱讀徐一鴻(A. Zee)教授著作的《膨脹的宇宙——愛因斯坦的玩具》一書的第三章,或是科學月刊的好文

不過,為什麼觀測重力波如此重要

雖然愛因斯坦的廣義相對論已經獲得許多成功,但重力波的存在卻是最後一個尚未被直接證實的重要預言。也因此,對廣義相對論的驗證來說,這無疑是非常重要的。

除此之外,如開頭所提及的:很多時候,傳統的觀測方式並無法給予我們想要的資訊。例如,黑洞因為幾乎不會發光、而發出的光(稱為霍金輻射Hawking Radiation)又難以測量,使得黑洞成為無法用望遠鏡直接察看的天體典型。這種時候,重力波觀測就派得上用場。

又例如,宇宙誕生初期所產生的重力波,現在仍充斥在我們四周;若能從中分析,將可以幫助我們理解宇宙誕生的祕密

再者,雖然我們有廣義相對論能夠描述重力,但至今卻未能成功將重力與量子理論作統合。如果能夠觀測到重力波,對於重力的既有認知、抑或對發展更完備的重力理論,都會有所幫助。

無論如何,隨著重力波被觀測到,重力波天文學(Gravitational-wave astronomy)也將蓬勃發展,人類對於宇宙和重力的理解也將邁入嶄新的階段。對科學家而言,這一切都讓人興奮不已。就讓我們勇敢航向人類足跡從未踏至的領域吧![6]

星際爭霸戰電影裡的企業號(圖片來源)

星際爭霸戰電影裡的企業號(圖片來源

參考資料:

  • 1. 徐一鴻(A. Zee) (2006) 膨脹的宇宙——愛因斯坦的玩具

註釋:

  • [1] 著名科幻影集〈星際爭霸戰(Star Trek)〉的開頭旁白第一句。
  • [2] 此已經過實驗證實並廣泛運用在我們的日常生活中,例如衛星定位技術就利用了相對論進行計時的修正。
  • [3] 另一個類似的例子:在高中物理課我們曾學過,加速運動的帶電粒子會輻射電磁波;這與加速運動的具質量物體會輻射重力波非常相似。
  • [4] 小提醒:重力波是以光速傳遞的,所以我們並無法預知重力波的到來(除非有事物能超越光速通知我們),只能事先做好準備。
  • [5] 一些讀者或許有印象,在2014年曾有相當大篇幅的新聞報導,說明國外的研究團隊找到了重力波。只是很可惜地,根據愈來愈多的資料和分析結果,該發現最終無法提供具有足夠說服力的證據
  • [6] 著名科幻影集〈星際爭霸戰(Star Trek)〉的開頭旁白最後一句。在此也順便推薦台北天文館翻譯的易懂影片

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關於作者

科學大抖宅

科學大抖宅

在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」