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【解構・諾貝爾獎】愛因斯坦預言:來自遠方的重力波

2017/10/3 — 19:37

2017諾貝爾獎得主 Rainer Weiss / Barry C. Barish / Kip S. Thorne

2017諾貝爾獎得主 Rainer Weiss / Barry C. Barish / Kip S. Thorne

去年 2 月 12 日,科學家宣佈成功以兩座激光干涉重力波天文台 (aLIGO) ,在 2015 年 9 月 14 日首次測量到重力波。此重力波,及其後 3 次的重力波發現均力證愛因斯坦百年前在廣義相對論的預言。

廣義相對論指出時空會被極重物質所扭曲:情況就如同將鉛球和網球放上彈床上時,鉛球的重量會將彈床壓得更深,周邊的網球沿著被壓低的彈床滾動,出現類似行星公轉情況。從外觀察,網球就如同被一道「力」所吸引,但實際原因是被壓低的彈床引起。假設時空出現兩個極重的天體,例如黑洞和中子星,兩者就會互相圍繞公轉。由於時空不斷被扭曲,因此形成以光速對外擴散的重力波。

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今屆諾貝爾物理學得獎者物理學家 Rainer Weiss 、Kip S. Thorne 和 Barry C. Barish 自 70 年代起已展開重力波研究。Rainer Weiss 在 70 年代中期已著手研究和分析背景雜訊來源,以及設計了一個激光測量器克服雜訊問題。而在此之前, Rainer Weiss 和 Kip Thorne 亦相信重力波可被測量,而且有機會顛覆我們對宇宙認識。在 1994 年 Barry Barish 接任首席科學家,及 1997 年成為研究總監時,他更將原來 40 多人的研究團隊擴展成過千科學家的跨國研究隊伍。籌備多年後,終於從 2002 年設立第一代 LIGO 測量重力波。

直接測量重力波存在並不容易。因為即使天體質量極高,重力波波幅仍然十分小。2000 年起頭十年,研究隊伍均未能測量到任何重力波。當時有部份科學家指出,如果未能錄得重力波,有機會令廣義相對論及重力波理論受極為嚴峻的質疑。經過 40 年努力,他們終於成功在 2015 年 9 月 14 日,利用兩座分別位置路易斯安那州和華盛頓州激光干涉重力波天文台 (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, aLIGO) 測量到重力波,更觀察到兩個比太陽重 29-36 倍的黑洞的合併現象。

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aLIGO 測量原理相當簡單直接,只是利用簡單光干涉原理。aLIGO 各有兩條互相垂直、長 4 公里的激光隧道。在嘗試測量重力波時,科學家會同時將激光沿著兩條隧道發射。隧道末端的鏡會將激光反射回起點,將兩條激光重新結合,形成干涉圖像。aLIGO 能探測到大約萬份之一質子距離變化,只要有微小變化則代表他們有機會偵測到重力波。

在首次錄得重力波後,研究隊伍並沒有因而停止測量,而是繼續從兩座 aLIGO 中測量到 2 次重力波,以收集更多相關數據。上月 14 日,來自法國、荷蘭、波蘭、意大利與匈牙利五個國家實驗室科學團隊與 LIGO 合作,利用新升級的意大利比薩附近的室女座干涉儀 (Virgo interferometer) 首次測出重力波。這次是人類迄今第四次錄得重力波訊號,同一重力波訊號亦由 LIGO 測出。

諾貝爾獎委員會在文件形容,重力波研究開拓了宇宙射線和中微子以外的全新視野。他們期望科學家能從重力波研究和當中訊息,能讓我們更加了解「時空」以及宇宙奧秘。 

相關文章:
Nobel Prize, Cosmic chirps, 3 October 2017

廷伸閱讀:

  1. 重力波:愛因斯坦的最後預言 (上) / 余海峯
  2. 重力波:愛因斯坦的最後預言 (中) / 余海峯
  3. 重力波:愛因斯坦的最後預言 (下) /余海峯
  4. 重力是什麼?愛因斯坦的廣義相對論 / 余海峯
  5. 重力波的幽靈 /周達智 (tc)
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  7. 第三度測出重力波 或提供黑洞 、暗物質來源線索/立場報道

文/Edward Ho、核稿/Alan Chiu

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