2017年諾貝爾物理學獎》物理學與天文學追尋百年的聖盃──重力波Q&A

2017-10-03 18:50

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愛因斯坦(Albert Einstein)百年前的理論預言,終於在極先進、精密的觀測技術中現身,將為人類對於這個世界的知識與理解帶來根本的變革。讓科學家等待了一個世紀的重力波(gravitational wave)到底是何方神聖?為何如此難以捉摸?有何驚人作用?本文為你一一解惑。

問:什麼是重力波?

1916年,愛因斯坦發表石破天驚的「廣義相對論」(general theory of relativity,GTR),預測了重力波的存在。簡而言之,重力波是一種「時空曲率的漣漪」(ripples in the curvature of spacetime),以波的形式從源頭向外傳播,並以重力輻射的形式傳遞能量。

廣義相對論指出,質量會扭曲時間與空間。可以想像為將一顆保齡球放在彈翻床(trampoline)上,周遭的物體會以它為中心向它「落下」。當物體加速,附近的曲率會隨之改變,這種曲率變化會以光速向外傳播,也就是重力波。

物體質量越大,重力波的效應越顯著,越容易被探測到。因此宇宙中最強的重力波,是來自最激烈、最壯觀的事件,例如兩個黑洞相撞、大型恆星爆炸,或者138億年前創生宇宙的「大霹靂」(Big Bang)。

雙星系統的重力波(維基百科)
雙星系統的重力波(維基百科)

問:重力波為什麼如此重要?

重力波的存在得到證實之後,我們對於時間、空間等基本概念的認知都會改變。同時重力波也將開出天文觀測的新場域,它能夠穿透電磁波所無法穿透的空間,讓人類更加瞭解遙遠的恆星、星系與黑洞。

在大霹靂之初輻射出的「太初重力波」(primordial gravitational wave)特別難以探測,但也特別重要,讓我們一探宇宙誕生初期的「暴脹」(inflation)光景,尤其是暴脹發生時的能量量級(energy scale)。

問:重力波為何如此難以探測?

由於重力波的效應實在太過渺茫,因此就連愛因斯坦本人也沒有把握人類是否有能力探測。舉例而言,兩個黑洞相互環繞時,輻射出的重力波其波長可能有100萬公里,但振幅不到一個原子的大小。

就探測重力波的「雷射干涉重力波天文台」(LIGO)而言,其雷射光束雖然長達4公里,但如果探測到來自遙遠星系的重力波,其變化大約只有1個質子的寬度。

全球重力波探測機構(LIGO)
全球重力波探測機構(LIGO)

問:那麼我們到底要如何探測重力波?

1974年的時候,科學家發現史上第一個脈衝雙星系統「赫爾斯─泰勒脈衝雙星」(Hulse–Taylor binary pulsar),發現這兩顆中子星的公轉周期和距離會逐漸變小,原因顯然是它們以重力波的形式損失能量。這是人類首次發現重力波存在的間接定量證據,兩位科學家因此榮獲1993年的諾貝爾物理學獎。

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