沒有邁克生干涉儀，就沒有現代物理學和天文學——1907年諾貝爾物理奬

• 作者／賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

起初神創造了天地。大地空虛混沌； 深淵的表面一片黑暗；神的靈運行在水面上。神說，「讓它有光」，於是就有了光。 神看見光是好的；神將光明與黑暗分開。 -創世紀 1:3

1905 年愛因斯坦在題為「關於運動物體的電動力學」（On the Electrodynamics of Moving Bodies）的論文引言裡謂：

我們建議將「相對性原理」這個猜想（conjecture）提升到一個公設（postulate）的地位，並引入另一個表面上與它不調和（irreconcilable）的公設，即光在真空中的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值 c。這兩個假設足以（讓我們）透過適用於靜止物體（狀態）之馬克斯威（James Maxwell）理論，導出一個簡單且不矛盾（consistent）的電動力學理論。

愛因斯坦真大膽：一個可以用實驗來確定的光速，怎麼可以定為「公設」呢?光速與發射體運動狀態無關不是完全違反了我們日常生活的經驗（如聲速）嗎？

更令人難以相信的是：當時的物理與天文學家因為馬克斯威方程式（Maxwell Equation）的成功，都認為空間充滿了絕對靜止的「以太」，「光速為定值」僅是相對於這一固定的「以太」而言；而愛因斯坦竟初生之犢不畏虎，開宗明義地謂不要爭辯了，我們將光在真空中的速度「公訂」為與發射體運動狀態無關的定值 c！幸運地，在「立即引起了我的熱烈關注」下，當時歐洲受人尊敬的理論物理學大師普朗克（Max Planck）立即在柏林大學開始講授相對論，並公開為愛因斯坦的抽象概念理論辯護！由於普朗克的影響，這篇愛因斯坦根本沒想到是「革命性的」、完全改變牛頓之時空觀念的論文終於與量子力學一起開創了近代物理學。

當然，我們現在知道實驗上已經證明了這一「公設」的正確性；愛因斯坦怎麼那麼「神」呢？

隨「光」逐流

第二次世界大戰結束後不久，愛因斯坦受邀在「在世哲學家圖書館」（Library of Living Philosophers）撰寫一篇知識分子自傳（註一）。在該《自傳筆記》（Autobiographical Notes）裡，愛因斯坦開張寫道：「我坐在這裡是為了在 67 歲時寫一些類似於我自己之訃文的東西」，然後以無與倫比的溫暖和清晰解釋了他的思想路徑：從年輕時對幾何的興趣，轉向馬克斯威、馬赫（Ernst Mach）、和波爾（Niels Bohr)等哲學、科學家對他自己之理論發展的影響。此書是愛因斯坦留給我們的唯一個人自傳筆記，為科學史上的一部經典著作。

在講述導致狹義相對論的發展時，愛因斯坦在《自傳筆記》中回憶道：

…..我在十六歲時就已經遇到了一個悖論：如果我以速度c（真空中的光速）追逐上一束光，我應該觀察到其電磁場將是靜止不前進，只是在空間上振盪而已。然而，無論是根據經驗，還是根據馬克斯威方程組，這現象似乎不存在。（因此）從一開始，我就直覺地清楚看到，從這樣一個觀察者的角度來看，一切都必須按照與相對於地球靜止的觀察者相同的定律發生。第一個觀察者如何知道或能夠確定他處於一快速、等速的運動狀態？從這個悖論中可以看出，狹義相對論的種子已經包含在內。

愛因斯坦如何解決這悖論呢?

一場風暴

愛因斯坦在瑞士專利局任職時，經常與「奧林匹亞學院」(Olympia Academy)的成員討論光速之謎。1905 年 5 月中旬，他突然想到光速之謎的答案就隱藏在用於測量時間的程序中，他回憶說：「我的腦海中掀起了一場風暴」。隔天一大早碰到一位工程師同事就迫不及待地告訴說：「我已經徹底解決了這個問題。對時間概念的分析是我的解決方案：時間不能是絕對的，時間和訊號速度之間存在著密不可分的關係。」

在風暴中，愛因斯坦匆匆忙忙地在數週內完成了那革命性的狹義相對論論文。在此讓我們看看為什麼他認為「時間和訊號速度之間存在著密不可分的關係」。

愛因斯坦同步程序

要測量光速，必須讓光訊號在已知距離內從一個位置跑到另一個位置，然後透過起點和終點的時鐘讀數之差異來確定傳播時間。因此用於測量傳播時間的時鐘必須同步，否則它們之讀數差異將毫無意義。可是我們卻需要利用光速來同步化兩個不同地方之時鐘，這顯然是「雞生蛋、蛋生雞」的循環邏輯問題。

愛因斯坦的風暴就是他終於想出了可以避免循環邏輯的同步化假想實驗：在 t_A 時從 A 發出一道光線，當它在 t_B 到達 B 時立刻讓它反射回去，於 t’_A 時到達 A；如果

則我們稱 A、B 兩地的時鐘精確地同步化了。例如 A 在 1:00 發出光信號，1:10 收到反射回來的光信號，如果 B 收到光信號的時刻是 1:05（或者將它調到 1:05），那麼 A、B 兩地的時鐘便是同步。今天的物理學家將此方法稱為「愛因斯坦同步程序」( Einstein Synchronization Procedure )。

光速定值的「公設」

愛因斯坦接著說：「另外，根據經驗，我們進一步要求

為普適常數（真空中的光速）。」這是根據經驗計算光在兩點間之平均速度的方法，毫不起眼，但卻隱藏著一個非常不尋常的「陰謀」？

邏輯告訴我們：如果我們用另一毫不起眼的 t_B 定義去測單方向的光速（A 到 B或 B 到 A），其值一定是 c ( 註二 )！因此愛因斯坦說：「…我們根據定義確定，光從 A 傳播到 B 所需的時間等於光從 B 傳播到 A 所需的時間。」也就是說愛因斯坦在這裡從「平均速度」及「愛因斯坦同步程序」的定義，魔術般地導入了他的公設：光在任何方向的速度都是一樣的 c 值！

為什麼這是個「陰謀」呢？在愛因斯坦的假想實驗中，我們既然不需要知道光的速度，為什麼不用聲音呢？答案很簡單：因為我們知道聲速會受到 A、B 兩點與空氣之相對速度的影響；如果風從 A 吹到 B，那麼 B 收到聲音的時間將比愛因斯坦之 t_B 早！ 可是那時候幾乎所有的物理學家都相信光是在「乙太」中傳播的（見後），愛因斯坦怎麼知道光速不會受到 A、B 兩點與「乙太」之相對速度的影響？

歷史上最「失敗」的實驗

在「近代物理的先驅：馬克斯威」裡，筆者提到曾被評選為有史以來第三大物理學家馬克斯威用簡潔數學方程式━「馬克斯威方程式」━闡釋了當時已知的電磁現象。1865 年，馬克斯威透過其方程式導出電磁波的存在，並證明光事實上就是一種電磁波！光既然是一種波動，那像水波及聲波一樣應該有傳播的媒體(介質)，物理學家開始尋找這一稱為「乙太」的媒體，並測試地球在這一媒體中的運動狀態。

這些實驗中最有名的是後來被稱為歷史上最「失敗」的實驗：1887 年，邁克爾森（Albert Michelson）與莫利（Edward Morley）用光干涉儀測量地球與乙太的相對運動速率。邁克爾遜和莫利預計會發現：分道揚鑣的兩道光束在不同時間回到探測器，從而可以計算出地球在乙太中的運動速度。但他們非常失望地發現：無論光向哪個方向傳播，它總是以相同的速度移動，因此下結論説：如果乙太存在，地球與乙太的相對運動速率為零！他們認為這有兩種可能的解釋：(1) 在地球表面之乙太被地球拖著走；或 (2) 根本沒有乙太（參見「乙太存在與否的爭辯」）。但更簡單的解釋應該就是愛因斯坦的不要爭辯「公設」；可是誰敢提出這種違反常識的論調呢？或許只有當時還是默默無聞的瑞士專利局小職員吧？

可是愛因斯坦回憶說：「在我自己的發展中，邁克爾遜的結果並沒有(對我)產生很大的影響。我甚至不記得當我寫第一篇關於這個主題的論文時（1905 年），我是否知道它。」然而愛因斯坦也在許多場合中曾經反覆使用「可忽略不計」、「間接」、「非決定性」等詞彙來形容邁克爾遜實驗對他思想的影響…。看來「愛因斯坦當時是否知道邁克爾遜實驗結果」這個問題將永遠是個懸案。但可以肯定的似乎是：即使愛因斯坦知道邁克爾遜的結果，它對愛因斯坦理論的起源貢獻應該是非常小和間接的，絕對不是他發現相對論的主要推動因素。

事實上前面提到：愛因斯坦根本可以不需要知道，因為在他的時鐘同步程序下，光速一定是定值，與實驗結果或「乙太」是否存在無關。相反地，如果愛因斯坦清楚不用時鐘同步化的邁克爾遜-莫利實驗，那風暴可能就不會產生了！

時鐘同步化與光速無關

測量單方向光速實際上並不需要同步化的兩個時鐘（即沒有循環論證的問題）。例如 A、B 兩地皆在赤道上，A 在 1:00 發出光信號，B 在收到光信號後等 12 小時再發射回去，如果 A 在收到 B 光信號的時間是 13:04，那麼因為地球 24 小時自轉一次的關係，AB 距離除以 0.02 便是光單方向（相對於宇宙）的速度。在這一個實驗中，A、B 兩地的時鐘根本不必要同步化，只要它們的精確度是一樣就可以了。

人類早在 18 世紀初就已經知道如何製造相當精確及穩定的時鐘：哈里森（John Harrison）是英國的一名木匠，自學了鐘錶製作；在 1720 年代中期，他設計了一系列卓越的精密長殼時鐘，其精確度已經高達一個月僅差一秒（註三）。我們可以將兩個 Harrison-IV 時鐘在 A 處校正，然後慢慢（原則上無限地慢）將其中一個移到它處，不但可以用它來同步化這些地點的時鐘，還可以用來直接測量單方向的光速。

還有，首次確鑿證明地球在動的布拉德利（James Bradley）早在 1729 年就已經透過「星光像差」（stellar aberration）測得高達 0.4% 精確度的光速；而發明「傅科擺」（Foucault pendulum）來證明地球在自轉的傅科（Léon Foucault）則在1862年透過旋轉鏡與單鐘測得 0.6% 精確度的光速。

馬克斯威方程式也告訴我們，不需要使用任何時鐘，透過測量自由空間的磁導率和介電常數即可間接計算光速，完全避開愛因斯坦的循環論證邏輯。事實上馬克斯威 1865 年就是用這兩個實驗數據計算出電磁波的傳播速度為每秒鐘 310740000 公尺，接近當時光速的（傅科）實驗值。馬克斯威認為這不會是巧合，謂：「我們幾乎無法避免這樣的結論：光存在於同一介質的橫向波動中，這是電和磁現象的原因」，因此他預測光是一種電磁波。

上面這些說明了 20 世紀黎明前，科學家就已經知道了：時間（校時）和訊號速度之間並不存在著密不可分的關係。事實上愛因斯坦更應該知道，因為當他被問到是否站在牛頓的肩膀上時，他回答說：「不，是站在馬克斯威的肩膀上！」所以不知道愛因斯坦是否故意沒想到這些，以便透過陰謀來創造相對論？在今天，愛因斯坦那篇沒有任何參考資料的相對論論文是不可能被接受發表的！

愛因斯坦的規定

在愛因斯坦同步程序下，無論光的實際速度是多少，光速測量起來總是定值 c。難道愛因斯坦不知道這「魔術」充滿了漏洞嗎？一個可能的解釋是 19 世紀末電報線和鐵路將整個歐洲連接成一個巨大的網絡，為了以確保訊息、乘客、和貨物的順利流動，同步時鐘是非常實際的考慮；愛因斯坦是專利局電訊操作設備的技術專家，負責審查時鐘同步的網路電磁設備之專利申請，因此他一定在思考時鐘同步問題，加上經年累月地為光速所困，似乎很自然地便往這牛角尖裡鑽。

我們知道魔術是騙人耳目與大腦的，不能用在科學上。光速是可以量的，怎麼可以根據定義確定（光從 A 傳播到 B 所需的時間等於光從 B 傳播到 A 所需的時間）？因此在其 1916 年之科普《相對論：狹義理論與廣義理論》一書中，愛因斯坦辯說：「（假設 M 在 A、B 兩處之正中間）實際上光需要相同的時間穿過路徑 AM 和穿過路徑 BM，這既不是關於光之物理性質的假設（supposition）、也不是假說（hypothesis，註四），而是我可以根據自己的自由意志做出的規定（stipulation），以便得出同時性的定義（註五）」。換句話說，愛因斯坦認為光速恆定是一種「規定」，與物理無關，無需解釋其真偽（註六）。且聽「創相對論紀 1:3」道來：

19 世紀中旬馬克斯威創造了馬克斯威方程式。大地充滿了乙太；深淵的裡面測不出地球的運動；愛因斯坦的靈運行在其中。愛因斯坦說，「讓光速為定值」，於是光就依定值傳播。愛因斯坦看見定速是好的；愛因斯坦將定速與乙太分開。

結論

從上面的分析看來，愛因斯坦這「光速為定值的規定」似乎是建基於錯誤的認知上，所以顯然愛因斯坦其實沒有那麼神！

開玩笑的，事實上愛因斯坦是筆者佩服的極少數科學家之一！在「思考別人沒有想到的東西──誰發現量子力學？」一文裡，筆者指出：當普朗克還一直在努力地想讓他的量子解釋能容於古典力學時，愛因斯坦已認識到量子不連續性是普朗克黑體輻射理論的重要組成部分！也只有愛因斯坦能看出波思（Satyendra Bose）一篇被英國名物理雜誌退稿、題為「普朗克定律及光量子的假設」的重要性，開創了量子統計力學！更奇怪的是：他被證明是錯的「EPR 悖論（EPR Paradox）」竟推動了許多如量子密碼學、量子計算機、量子資訊理論、量子遠程傳送等的研究；而他自認是一生中最大錯誤的「宇宙論常數」則成為研究近代宇宙的主要工具。……因此筆者總覺得愛因斯坦雖然像常人一樣犯錯，但對物理卻具有一般人所沒有的第六感！或許愛因斯坦心裡早就預感光速應該是定值（註七），其同步程序只是設計出來「證明」光速恆定的妙計？

雖然以卓越教學而備受讚賞的慕尼黑大學理論物理學教授薩默費爾德 ( Arnold Summerfeld ) 曾於 1907 年對愛因斯坦的公設提出「微辭」，但現在物理學家從未公開批評該相對論公設，只是默默地屏棄此一公設，改採將光速恆定作為可以實驗驗證的物理定律（經驗基礎）：光速恆定不是規定，而是根基於實驗的自然界基本定律。

如果光相對於愛因斯坦的速度永遠為c, 那麼他將永遠無法隨「光」逐流看到光駐波，愛因斯坦不但終於解決了他16歲時所迷惑的悖論，還開創了相對論！

註釋

（註一）《世哲學家圖書館》系列的第七卷（Paul Arthur Schilpp編輯，美國紐約市 MJF Books 出版，2001 年元月一日重印版）。單行本：《阿爾伯特·愛因斯坦：哲學家-科學家》（Albert Einstein: Philosopher-Scientist；Open Court，3rd edition，December 30, 1998）。

（註二）筆者讀過多次愛因斯坦同步程序，從沒想到被騙；視而不思，真是書呆子一個！

（註三）2023 年初可攜帶型的商業原子鐘精確度高達 10^-11%。

（註四）大英百科全書：科學假設是對自然界中觀察到的現像或一組狹窄現象提出初步解釋的想法。

（註五）參見『不用數學就可以解釋──相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」』。

（註六）這種不顧物理的隨心所欲「規定」使筆者想到了波爾於 1913 年提出的：「電子雖然如行星繞日，但它的軌道卻不能隨便，而必須適合一個新的條件，即量子條件（quantum condition）。在這種軌道條件下的電子是穩定的，它可不服從電磁理論，因此也就不須放射出電磁波。」波爾輕而易舉地用「規定」的方法解決了拉塞福 ( Rutherford ) 原子模型與電磁理論的衝突（參見「原子的構造」）。當然，波爾原子模型的成就不只解決這衝突而已，它事實上解釋了當時存在的部份光譜問題，推動了新力學的迅速發展。同樣地，愛因斯坦的規定不只提出了「同時」是相對的觀念，還開創出一個新的力學。

（註七）用兩個簡單的公設就可推導出當時已知的洛倫茲轉換方程式（Lorentz transformation）、時間膨脹（time dilation）、洛倫茲—傅玆久拉空間收縮（Lorentz－FitzGerald contraction ）等公式，這絕對不可能是一個巧合。

延伸閱讀

• 「愛因斯坦是第一個發現狹義相對論的物理學家嗎？」《泛科學》,2022年10月21日。
• 「近代物理的先驅：馬克斯威」《科學月刊》，2019年4月。
• 『不用數學就可以解釋──相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」』,《泛科學》,2022年8月26日。
• 「思考別人沒有想到的東西──誰發現量子力學？」，《泛科學》,2022年6月1日。
• 「量子糾纏態的物理」，《泛科學》,2024年4月24日。
• 「大家都知道地球在動，但你怎麼知道？」，《泛科學》,2023年6月19日。
• 《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）：收集筆者自1970年元月至2017年8月在《科學月刊》及少數其它雜誌所發表之文章。內含本文談到之「原子的構造」（科學月刊1971年6月）、「量子統計的先鋒－波思」（科學月刊1971年4月號）、「愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數」(科學月刊2011年12月號)、「愛因斯坦其實沒那麼神？」（泛科學2016年3月16日）、「愛因斯坦的最後一搏—EPR悖論」」（科學月刊2016年5月）、「乙太存在與否的爭辯 」（科學月刊2017年5月）。

我們都感覺到相同的時間嗎？

在二十世紀之前，科學認為時間是普適的：每個人和宇宙中的一切，都感覺到相同時間。那時的假設是，你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘，那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟，這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下，如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑，會是多麼混亂！

但後來，愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」^*1 概念，改變了一切。愛因斯坦強調，移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星，那麼你體驗的時間，將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢，像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣，而是說地球上的人和時鐘測量到的時間，會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式（以每秒一秒的節奏）體驗時間，但是如果我們彼此以相對高速移動，我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方，製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行，似乎違背了所有的邏輯論證，但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的，因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機（或汽車、飛機）上的 GPS 接收器，會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢（衛星以每小時數千里的速度，在受地球巨大質量彎曲的空間中移動）。沒有這些資訊，你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中，精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時，這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說，宇宙有個最高速限：光速。根據愛因斯坦的相對論，沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率，可以比光跑得快。這個速率（每個時段所移動的距離）的絕對上限，會產生一些奇怪後果，並挑戰我們的時間概念。

首先，先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是：從任何角度來衡量任何人的速率時，這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時，無論你用什麼觀點來看，就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說，手電筒的光線以光速遠離你。不過，我們是否可以把你的沙發綁在火箭上，點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢？如果此時你打開手電筒，會發生什麼事？如果把手電筒指向火箭前方，光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢？

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎？〉花更多時間在這些想法上。但重要的是，為了讓所有觀察者（在火箭上的你和我們其他在地球上的人）看到，手電筒的光線都是以光速移動的，於是某些東西必須改變，這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念，讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間，而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡，你沒有穿越空間（相對於地球）的速率，所以你穿越時間的速率可以很高。

但如果你坐在火箭上，對地球而言，火箭的移動速度接近光速，那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此，為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時，保持在宇宙速限之內，你的時間速率必須減少，在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎？

對於不同人可以回報不同時間長度，你可能很難接受，但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是，人們可能會在某些情況下，看到事件以不同順序發生，而且都是正確的。舉例來說，兩位誠實的觀察者，如果以非常不同的速度移動，他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑，那麼，依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離，你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本，如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動，她看到的比賽結果可能完全不同。而且，所有人都是正確的！（不過要注意的是，每個人的時間起始點都不相同。）

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史，所以不同人可以體驗不同的時間，是令人難以接受的想法。我們可以想像，原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事（這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊）。如果這故事存在，那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查，除非是無心之過或視力模糊，每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的，所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序，會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域，但驚人的是，這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣，我們被迫拋棄自我的直覺，並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎？

打從一開始，人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前，我們從未見過它做過其他事，既然如此，時間怎麼可能還有別的選項呢？由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進，所以很難自信的說，時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信，時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說，時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的，當宇宙達到最大熵時會發生什麼事？在這樣的宇宙裡，一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼，時間會在這一點停下來嗎？還是時間不再有意義？一些哲學家猜測，在這個時刻，時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來，導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過，這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測，而不是實際的科學預測。

還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙，一個時間向前流逝，一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢？我們可以在三個（或更多）空間方向中移動，為什麼不能有兩個或更多的時間方向？真相為何？如往常一樣，我們不知道。

註解

1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》，2023 年 9 月，天下文化出版，未經同意請勿轉載。

• 作者／陳哲佑
  • 任職於日本理化學研究所，專長為黑洞物理、宇宙學、重力理論等。
  • 熱愛旅行、排球與珍珠奶茶

• Take Home Message
  • 今（2023）年 6 月，北美奈赫茲重力波天文臺（NANOGrav）團隊觀察到宇宙中的低頻重力波。
  • NANOGrav 團隊利用數個脈衝星組成「脈衝星陣列」（PTA），測量各脈衝星訊號到達的時間，計算不同訊號的到達時間是否存在著相關性。
  • PTA 得到的重力波訊號相當持續，沒有明確的波源。科學家推測此訊號可能來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。

2015 年 9 月，位於美國的雷射干涉儀重力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）成功偵測來自雙黑洞碰撞的重力波訊號（請見延伸閱讀 1）。

這個發現不僅再次驗證愛因斯坦（Albert Einstein）「廣義相對論」的成功，更引領人類進入嶄新的重力波天文學時代。到了現在，我們不僅能使用各種電磁波波段進行觀測，還多了重力波這個強而有力的工具能夠窺探我們身處的宇宙，甚至還有同時結合兩者的多信使天文學（multi-messenger astronomy）^註1，皆能帶給人類許多單純電磁波波段觀測無法觸及的資訊（請見延伸閱讀 2）。

如同不同波段的電磁波觀測結果為我們捎來不同的訊息，重力波也有不同的頻譜，且頻譜與產生重力波的波源性質有非常密切的關係。以雙黑洞碰撞為例，系統中黑洞的質量與碰撞過程中發出的重力波頻率大致上成反比，因此當系統中黑洞的質量愈大，它產生的重力波頻率就愈低。

目前地球上的三個重力波天文臺：LIGO、處女座重力波團隊（The Virgo Collaboration, Virgo），以及神岡重力波探測器（Kamioka Gravitational wave detector, KAGRA, or Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope, LCGT）都受限於干涉儀的長度，只對頻率範圍 10～1000 赫茲（Hz）的重力波有足夠的靈敏度，此範圍的重力波對應到的波源即是一般恆星質量大小的雙黑洞系統。

然而，來自超大質量黑洞互繞所發出的重力波頻率幾乎是奈赫茲（Nano Hertz，即 10^-9 Hz）級別，如果想要探測到此重力波，就需要一個「星系」規模的重力波探測器。雖然這聽起來彷彿天方夜譚，但就在今年 6 月，北美奈赫茲重力波天文臺（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav）的團隊利用「脈衝星計時陣列」（pulsar timing array, PTA）成功地觀測到這些低頻重力波存在的證據。

以不同方式觀察不同頻率的重力波

NANOGrav 如何觀測低頻重力波？

讀者聽過脈衝星（pulsar）嗎？它是一種高速旋轉且高度磁化的中子星（neutron star）^註2，會從磁極放出電磁波。隨著脈衝星的旋轉，它的電磁波會以非常規律的時間間隔掃過地球，因而被身處於地球上的我們偵測到，就像是海邊的燈塔所發出的光，會規律地掃過地平面一般。由於脈衝星的旋轉模式相當穩定，掃過地球的脈衝就如同宇宙中天然的時鐘，因此在天文學上有相當多的應用——甚至可以用來觀測重力波。

利用脈衝星觀測重力波的第一步，首先要記錄各個脈衝星的電磁脈衝到達地球的時間（time of arrival），並且將這些訊號與脈衝星電磁脈衝的理論模型做比對。

如果訊號和理論模型相符，那麼兩者相減後所得到的訊號差（residual）只會剩下一堆雜訊；相反的，如果宇宙中存在著重力波，並且扭曲了該脈衝星和地球之間的時空，那麼兩訊號相減之後就不會只有雜訊，而會出現時空擾動的蹤跡。

然而以觀測的角度來看，即便我們從來自單一脈衝星的訊號中發現訊號差出現偏離雜訊的跡象，也不能直接推論這些跡象一定是來自重力波。畢竟科學家對脈衝星的內部機制和脈衝傳遞的過程也並未完全了解，這些未知的機制都可能會使單一脈衝星的訊號差偏離雜訊。

因此為了要判斷重力波是否存在，就必須進行更進一步的觀測：利用數個脈衝星組成脈衝星陣列，測量每個脈衝星訊號到達的時間，並且計算這些不同脈衝星訊號的到達時間是否存在某種相關性。

舉例來說，如果脈衝星和地球之間沒有重力波造成的時空擾動，那麼即便每顆脈衝星的訊號差都出現偏離雜訊的跡象，彼此之間的訊號也會完全獨立且不相干；反之，如果脈衝星和地球之間有重力波經過，這些重力波便會扭曲時空，不僅會改變這些脈衝訊號的到達時間，且不同脈衝星訊號到達的時間變化也會具有某種特定的相關性。

根據廣義相對論的計算，一旦有重力波經過，不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線，稱為 HD 曲線（Hellings-Downs curve）。

科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位，藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性，再比較這些數據是否符合 HD 曲線，就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是，由於重力波訊號非常微弱，用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件，因此一般會選擇自轉週期在毫秒（ms）級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。

NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台（Arecibo Observatory，已於 2020 年因結構老舊而退役）、美國的綠堤望遠鏡（Robert C. Byrd Green Bank Telescope）和甚大天線陣（Very Large Array, VLA）觀測 68 顆毫秒脈衝星。

他們分析了長達 15 年的觀測數據後，發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合，證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。

除了 NANOGrav，其他團隊例如歐洲的脈衝星計時陣列（European Pulsar Timing Array, EPTA）、澳洲的帕克斯脈衝星計時陣列（Parkes Pulsar Timing Array, PPTA）、印度的脈衝星定時陣列（Indian Pulsar Timing Array, InPTA），以及中國的脈衝星計時陣列（Chinese Pulsar Timing Array, CPTA）等，皆得到相符的結果。

NANOGrav 觀測結果帶來的意義

與先前 LIGO 觀測到的瞬時重力波訊號不同，目前利用 PTA 得到的重力波訊號是相當持續的，而且並沒有較明確的單一波源，反而像是由來自四面八方數個波源組成的隨機背景訊號。

打個比方，LIGO 收到的重力波訊號像是我們站在海邊，迎面而來一波一波分明的海浪，每一波海浪分別對應到不同黑洞碰撞事件所發出的重力波；而 PTA 的訊號則是位於大海正中央，感受到隨機且不規則的海面起伏。

目前對這些奈赫茲級別的重力波訊號最合理也最自然的解釋，是來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。若真是如此，那這項發現將對天文學產生重大的意義。

過去科學界對於如此巨大的雙黑洞系統能否在可觀測宇宙（observable universe）的時間內互繞仍普遍存疑，如果PTA觀測到的重力波真的來自超大質量雙黑洞互繞，那代表這類系統不僅存在，它們的出現還比過去我們預期的更為頻繁，且產生的訊號也更強。

NANOGrav 的觀測結果

不過除了雙黑洞系統，也有其他「相對新奇」的物理機制也可能產生這樣的重力波背景，包含早期宇宙的相變、暗物質，以及其他非標準模型的物理等。若要從觀測的角度去區分這些成因，最重要的關鍵在於，能否從隨機背景中找到特定的波源方向。

如果是雙黑洞系統造成的重力波，勢必會有來自某些方向的訊號比較強；反之，如果是早期宇宙產生的重力波，那麼這些重力波將會隨著宇宙的膨脹瀰漫在整個宇宙中，因此它們勢必是相當均向的。

為了找到波源方向，提升訊號的靈敏度成為了當務之急。而若要提升 PTA 的靈敏度，最主要的方式有兩種——其一是將更多的脈衝星加入陣列；其二則是延長觀測的時間。

目前，不同的 PTA 團隊已經組成國際脈衝星計時陣列（International PTA）互相分享彼此的脈衝星觀測資料。隨著觀測技術的進步，解密這些奈赫茲級別的神祕重力波將指日可待。

註解

1. 相較於過往只能以可見光觀測宇宙，多信使天文學能利用多種探測訊號，如電磁波、微中子、重力波、宇宙射線等工具探索宇宙現象，獲得更多不同資訊及宇宙更細微的面貌。
2. 質量較重的恆星在演化到末期、發生超新星爆炸（supernova）後，就有可能成為中子星。

延伸閱讀

1. 林俊鈺（2016）。發現重力波！，科學月刊，556，248–249。
2. 金升光（2017）。重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場，科學月刊，576，892–893。
3. NANOgrav. (Jun 28 2023). Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony. NANOgrav.

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
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