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重力波:時空中的密語

2016/2/11 — 20:43

圖:Beam splitter,LIGO 重力波測量儀主要部份。Credit: LIGO

圖:Beam splitter,LIGO 重力波測量儀主要部份。Credit: LIGO

(11:45 記者會後記:傳言所料全部無誤,2015 年 9 月 14 日,LIGO 於 Hanford 及 Livingston 兩地的干涉儀幾乎同時錄得重力波,波形和雙黑洞理論吻合。)

午夜前, LIGO 團隊將會公佈重力波的發現,除非有變。希望不要像兩年前 BICEP2 操之過急,旋即在同行審核中發現證據不足,被迫全部撤回,讓科學撚從雲端掉下來。

LIGO鐳射干涉重力觀察站)由多國近千位科學家自 70 年代聯手籌備,千禧年啟用,十年未有成果,其後 4 年提升為 Advanced  LIGO (aLIGO),去秋開始錄取訊號,至上月完成第一期觀察。如果 LIGO 十年無功而退只是意料中的測試過程,今次將只許成功不許失敗。aLIGO 提升工程還未開始,科學家已預言1啟動後必須盡快錄得重力波,否則廣義相對論和重力波理論將會受到嚴峻的質疑。

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由上月中科學家傳出內幕消息開始,種種跡象看來今晚肯定有大好消息,剛滿百歲的廣義相對論終於實現最後一個重要預測。

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在 LIGO 合作單位之一 Max Planck Institute 工作的文友  David Yu 早已為網友寫下一篇簡明導讀《重力波:愛因斯坦的最後預言 (上)》,那我就不重覆,在發佈會前只嘗試讓親友明白,為何重力波的發現讓人如此雀躍。

時空泛漣渏,送來密語

自古以來,人類已從點點星光開始想像宇宙的真象,經牛頓「拆散彩虹」發現光譜,及至 150 年前麥氏維完成電磁波理論,將光譜擴大到由溫熱的紅外線至高能的 X 光及 Gamma 射線,此後各種現代望遠鏡從宇宙的至遠至古傳回廣闊的電磁波訊號,開拓無遠弗介的天文學新領域。

重力波則和包括可見光的電磁波完全不同。廣義相對論告訴我們,時空和物質是互相糾纒的渾然一體。電磁波從星體出發,在被其它星體扭曲的時空中前行,而時空本身亦因星體的某種擾動而泛起漣渏,乘重力波輻射出能量,以光速傳遞交互作用。波長很短的電磁波能讓科學家觀察局部區域及星體,但容易被途經的物質散射或吸收。相比之下,目前 aLIGO 的目標重力波由雙黒洞 (binary black holes) 或雙脈衝星發出,非常長的波幅能穿越中介物,包括電磁波亦被困的最早期宇宙(BICEP2 的場域)。

如果現代電磁波望遠鏡擴闊了科學家的「視」野,和它互補的重力波觀察站將讓人類「聽」到隱藏在時空中的宇宙密語。LIGO 的探測範圍亦正好在人耳能收聽的範圍,可說是一具「重力波收音機」。

重力波天文學「聽」到的宇宙

aLIGO 今晚公佈的發現亦將宣告「重力波天文學」的誕生。自此科學家將可透過重力波傳來的訊息,印證或修定廣義相對論的各種有關推論,由重力波及黑洞的存在,以至超重星體和黑洞的運動及結構。例如一封流傳的電郵指,aLIGO 已錄得的重力波以光速傳遞,源自雙黑洞,特性甚至符合理論中的 ring-down 階段等等,就是即將大量湧現的重力波天文學 "low-hanging fruit"。

更令人充滿睱想的,是技術突破後意想不到的驚奇。1965 年貝爾實驗室的 Arno Penzias 和 Robert Wilson 利用新無線電技術觀察銀河系,卻誤打誤撞發現宇宙初開遺下的宇宙微波背景宇宙澎漲論立刻戰勝「宇宙無始無終論」,成為現代宇宙學的基石;一群柏克萊物理學家不務正業數十年,上天落地尋找滅絕恐龍的剋星,卻成就第三代傳人 Saul Perlmutter 發現宇宙被暗能量推動,不斷加速澎漲。投下巨額投資的機構和天文學家都深信,重力波天文學亦將帶來新發現,如最早期宇宙的演化、超重星體的內部結構、極超大黑洞的存在或小黑洞無處不在,又或者傳說中的「時空裂縫」cosmic string 突然迸發、陪隨重力波突發而至的無線電波等等1

不要重覆愛因斯坦的覆轍

愛因斯坦在 1918 年得出 Quadrupole 重力波公式,並在 1974 年由 Russel Hulse 和 Joseph Taylor 的雙脈衝星觀察證明至今依然無誤,但他在晚年卻曾因為運算過程出現奇點而推翻早年的結果。1936 年,愛因斯坦已離開德國,在普林斯頓 和後輩 Nathan Rosen 合作一篇題為《重力波存在嗎?》的論文向 Physical Review 投稿,認為重力波不可能存在。當編輯以審核員提出疑問為由退回文稿,老人家可能不熟悉美國學術規矩,大動肝火,「我們向你投稿,只供出版,並沒授權你在出版前交給專家閱讀。2」諷刺的是,幸好愛因斯坦暗地裡接受審核者 Howard Robertson 的意見,解決奇點問題後改投另一份學術期刋,不再質疑重力波的存在。當然,「廿世紀最偉大的科學家」如何糊塗,亦不能左右科學進程。Hulse 和 Taylor 1993 年贏得諾貝爾獎,大眾亦不計較細節,將黑洞和重力波這些愛因斯坦晚年不願接受或曾有猶疑的廣義相對論成果全數歸功於他3

同儕評審機制是科學研究的基石,絕不能逾越,愛因斯坦亦不能享有特權。當傳媒向 LIGO 就重力波傳言查詢,發言人表明不會重覆 BICEP2 的錯誤決定,未通過同行審核之前不會外界泄露任何成果。因審核需時,今次發佈的重力波估計是 aLIGO 啟用後不久就錄得,顯示儀器一旦達到所需精度,就會發現重力波無處不在。

歷史時刻將至,不多說了。今晚 11:30,一起聆聽時空傳來的宇宙密語。


發佈會即場直播:

  1. B.S. Sathyaprakash, Bernard F. SchutzPhysics. Astrophysics and Cosmology with Gravitational Waves. 2 Mar 2009. arXiv:0903.0338v1
  2. Daniel Kennewick. Controversies in the History of the Radiation Reaction problem in General Relativity. 1 April 1997. arXiv:gr-qc/9704002
  3. 此段已作重要修訂。愛因斯坦在 1936–7 年間兩度轉向,我忽略了第二次。原文曾說「嚴格來說,重力波並非愛因斯坦的預言。」,現已修正。

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