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終於發現 真.重力波?

2016/2/11 — 14:00

圖表主要比較兩種唔同探測技術—有效一體形式論(Effective One Body Formalism, EOB)同數值相對論(Numerical Relativity, NR)—觀察所得既波形 (集中於上面板),下面板顯示重力波所產生最後幾個週期既波形,包括黑洞互繞融合時既情況。
Credit: UMD/AEI/Milde Marketing/ESO/NASA

圖表主要比較兩種唔同探測技術—有效一體形式論(Effective One Body Formalism, EOB)同數值相對論(Numerical Relativity, NR)—觀察所得既波形 (集中於上面板),下面板顯示重力波所產生最後幾個週期既波形,包括黑洞互繞融合時既情況。
Credit: UMD/AEI/Milde Marketing/ESO/NASA

【文:物理小王子】

假如你是物理愛好者,可能會聽聞過話物理學界已發現重力波 (Gravitational Wave) 。如果重力波真係被發現,呢個必然係諾貝爾物理學獎嘅首選,因為重力可以幫人類進一步了宇宙遠處嘅各種天體,包括黑洞甚至宇宙最早期嘅狀態。呢個說法都好似沉寂咗一段時間,但係今日,物理學界將會正式向公眾宣布發現重力波嘅存在。

兩件質量龐大天體互繞而加速,改變時空結構而產生如漣漪般既重力波
Credit: Brian Greene Facebook Fan Page

兩件質量龐大天體互繞而加速,改變時空結構而產生如漣漪般既重力波
Credit: Brian Greene Facebook Fan Page

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電磁波、聲波、光波我地聽得多,但重力波究係咩嚟呢?佢係點樣產生出嚟呢?跟據維基嘅定義:

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重力波指時空曲率中以波的形式從射源向外傳播的擾動,這種波會以重力輻射的形式傳遞能量。——Wikipedia 重力波(相對論), 2016

簡單咁講,我地可以借用古典電磁學產生電磁波嘅原理去比喻重力波。跟據古典電磁學,帶電荷粒子係加速狀態下會釋放出電磁輻射。同樣地,帶有質量嘅物件亦會係加速狀態下釋放出重力輻射。當然,我地都知道宇宙間四種力(引力、電磁力、強核力、弱核力)最弱就係引力,所以質量要對時空結構造成巨大攪動,先至能夠造成漣漪 (Ripple) 。故當時愛因斯坦 (Albert Einstein) 雖然可以用公式證明重力波嘅存在,但因佢太微弱,變相難以觀察。

電腦模擬重力波由黑洞撞擊所產生既過程 
Credit:MPI for Gravitational Physics/W.Benger-Zib

電腦模擬重力波由黑洞撞擊所產生既過程
Credit:MPI for Gravitational Physics/W.Benger-Zib

咁時至今日物理學家嘗試從邊幾方面去揾出重力波嘅源頭呢?主要係從雙星系統、脈衝星、重力塌縮同伽瑪射線暴、恆星質量同超大質量黑洞等去觀察,因為呢啲極高質量嘅系統都呈現出非對稱運動,運動速度愈高,散發嘅重力波就愈強,觀察者可以見到時空被扭曲。

當兩個黑洞合併時,較強度大嘅重力波會被釋出。因為兩個自由物體會隨住佢哋之間嘅距離有節奏咁波動,其頻率會同重力波相同。我地可以藉住重力波產生不同嘅頻率,了解其對時空坐標距離嘅改變。唔同波源會產生唔同重力波波頻,必須透過唔同探測敏感度嘅儀器探測。預期可被觀察嘅頻率可分為四類:

唔同波源會產生唔同重力波波頻,必須透過唔同探測敏感度嘅儀器探測
Credit:自製(如有錯誤,請告之)

唔同波源會產生唔同重力波波頻,必須透過唔同探測敏感度嘅儀器探測
Credit:自製(如有錯誤,請告之)

今次發現主要係由造價 5 億 7000 萬美元嘅鐳射干涉重力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) 嘅研究團隊所發現。天文台中有三組儀器,其中兩台位於美國華盛頓州,另一台則係路易斯安那州。 LIGO 透過對射向反射鏡面嘅兩支垂直雷射來回反射,形成干涉條紋,測量佢地之間嘅光程差 (travel distance difference of light) ,稱為雷射干涉術。當引力波幅夠大,其造成的光程差會改變,以致干涉條紋位移,重力波便可以被觀察得到。

雷射干涉儀干涉術係干涉儀中觀察兩條光線在與線面反彈後再互相重疊時既間距變化。
Credit:BBC

雷射干涉儀干涉術係干涉儀中觀察兩條光線在與線面反彈後再互相重疊時既間距變化。
Credit:BBC

當無重力波影響時,兩條光線嘅線段一致。經過反彈後,兩者相遇時波相會互相抵銷(在此你要知道當光線被鏡面反影後,波相會反轉了),無光源可以被儀器觀察。假如重力波經過實驗環境,時空會經歷微妙扭曲。組件被干預後,兩條光線因著重力波紋嘅此起彼落而出現一長一短,從而係儀器中得知光源強度 (intensity) 會隨著距離而變化,我地可推算係重力波所造成嘅影響。

係 1916 年,阿爾伯特·愛因斯坦透過他所發現的廣義相對論 (General Theory of Relativity) 預測重力波的存在。 1974 年侯斯 (Russell Hulse) 與泰勒 (Joseph Taylor) 研究波霎雙星的互繞速率變快、軌道收縮,推論出重力波確實存在。截至 2012 年,最為敏感的探測器位於 LIGO 和 VIRGO 天文台,靈敏度高達 5×10−22 ,仍未能觀察到重力波。相距一百年後,終於可以正式公布研究成果。我相信呢個發現將會轟動物理學界,為人類了解宇宙揭開神秘嘅面紗。

延伸閱讀:
Gravitational Waves: A Black Hole Is Trying to Slap You — Can You Feel It?
A large step closer to the first direct detection of gravitational waves
BBC, The hunt for Albert Einstein's missing waves
Brian Greene, Public Figure
波霎雙星證實廣義相對論正確性達99.95% — 台灣網絡天文館
梶田隆章:「重力波偵測 — The KAGRA project」講座報導
傳頌大霹靂的重力波
Youtube, LIGO Gravitational Wave Observatory

個人簡介:本人對物理有濃厚興趣,在大學修讀與物理相關學位,但係香港進行科研並唔係容易事。本人希望用小王子嘅心態透過網絡媒體進行廣泛性討論,與共同愛好者有社交學習,引起大眾關注同了解物理與我們息息相關。

原題為《今晚香港時間 2330 終於宣佈真.重力波被發現》,現題為立場編輯所擬。

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