2017年諾貝爾物理獎：重力波的探測 Print Friendly and PDF

2017年諾貝爾物理獎，一半授與萊納・魏斯（Rainer Weiss），另一半平分授與基普・索恩（Kip S. Thorne）以及巴里・巴里什（Barry C. Barish），以表彰他們預測愛因斯坦的最後預言——時空漣漪，重力波（gravitational wave）——及建立其探測器——位於美國的激光干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）及位於歐洲的處女座干涉儀（VIRGO Interferometer）——的貢獻。



 

長久以來，人類只能以一種方法探索宇宙：光。遙遠星光越過百億年時空，進入我們的眼睛，帶給人類無窮的物理資訊。隨著科技進步，望遠鏡越來越精良，人類看得越來越遠。然而，宇宙中有一道由光構成的牆壁，就在宇宙誕生的38萬年後，光在此前被高溫離子散射，光線無法穿越。另外，當兩個黑洞互相環繞，它們會越繞越接近，最終碰撞在一起結合為一，此過程中沒有任何光線會發射出來。因此，若只靠觀察光線，我們永達無法得知宇宙初期以及黑洞旁邊究竟發生了什麼事。

愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論（general relativity）取代了牛頓萬有引力定律。廣義相對論之中，萬有引力，即重力，不再被描述為一種力。廣義相對論指出，質量和能量會令時空扭曲，而彎曲了的時空又會改變物質的軌跡。重力，原來是物體在四維時空凹陷的位置「墜落」的錯覺。

當兩個質量非常大的天體，例如黑洞（black hole），它們互相環繞之時，會不斷大幅度地改變時空彎曲的狀態。時空會被扭成漣漪狀，能量會經由這時空漣漪向外傳遞。這種時空中的漣漪，就是我們稱為重力波的效應。因此，兩個天體的能量就會不斷流失，導致它們越來越互相靠近，最後相撞。

天文學家早就觀察到宇宙中某些成對的中子星（neutron star，密度非常高的天體）會互相越繞越近，其軌道衰減速率與廣義相對論預言的重力波輻射非常吻合，是為重力波的間接觀測證據。

2015年9月14日，人類科學踏出了歷史性的一大步，LIGO直接測量到廣義相對論最後一個未證實的預言：重力波。這個發現，就如同人類演化以來首次生火同樣重要。重力波與光線一樣以光速前進，並能夠以極小的衰減率穿過物質的阻隔持續行進。相反，光線在穿越物質時會被散射或者吸收。所以，天文學家期待重力波能夠幫助我們看穿早期宇宙高溫之牆、告訴我們不發光的黑洞周圍發生了什麼有趣的事情，當然還有其他更多等著我們去發掘、探索的東西。

直接探測到重力波，開啟了一個全新的科學領域——重力波天文學。誰知道，大自然在宇宙中放置了些什麼有趣的東西，一些人類想也未想過的物理過程，等著我們用重力波去看一看？

更多重力波文章：http://pb.psroc.org.tw/catalog/index.php?keyword=重力波