2017諾貝爾獎系列報導三

他們證實愛因斯坦的神預測!5分鐘帶您理解「重力波」

文 / 問道      2017-10-11

他們證實愛因斯坦的神預測!5分鐘帶您理解「重力波」


2017年的諾貝爾物理獎,頒給了三位美國科學家,分別是Rainer Weiss、Barry Barish、Kip Thorne。這三位得獎的原因,是他們透過LIGO天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),測量到了「重力波」(gravitational wave)。

要了解什麼是重力波,要從愛因斯坦的廣義相對論談起。1905年愛因斯坦完成狹義相對論之後,繼續探討時空的問題,在1915年提出了廣義相對論,對我們所處的宇宙,做出了幾項推論,其中一項就是重力波。

愛因斯坦認為,物質的存在,會造成時空的彎曲,而一個彎曲的時空,又會告訴物質在這當中應該做什麼樣的運動。但更重要的是,如果這個物質不是靜止不動,而是在運動的話,他自然而然的會使這個彎曲的時空,也隨著時間而改變。而且這個改變的彎曲時空,會以光速往四面八方傳遞出去,這就是重力波的概念。

舉一個不完全正確,但比較容易理解的類比,重力波就像我們把一小塊木板放在水池中轉動,水面就會出現波紋,向四面八方傳出去。

 (圖/以較好理解的物理現象為例,就像水面受力向四面八方出現波紋;Photo by Biel Morro on Unsplash)

重力波造成的效應,就是長度彎曲的變化,兩個正在互繞的天體所產生的重力波,會造成空間產生變化,一下子伸長,又一下子縮短。當這個重力波傳導到地球附近,也會造成地球附近的空間長度,隨著時間而伸長、收縮。

在此之前,重力波一直測量不到的原因,是它造成的長度變化量非常非常的小,也讓愛因斯坦的推論,一直停留在推論的階段,直到LIGO天文台藉由雷射干涉儀測量到這個長度變化,才證明了重力波存在。

LIGO天文台總共測量到四次重力波,都是兩個黑洞互繞所造成的。第一次測量到的合併的兩個黑洞,原來的質量分別是太陽的36倍跟29倍,它們互相旋轉、靠近,直到完全結合成一個黑洞的過程中,會發出最強的重力波。最後它們變成一個只有62倍太陽質量的黑洞,消失的3倍太陽質量轉換成能量,完全以重力波的形式輻射出去。

但如此強的重力波,到達地球附近的時候,所造成的空間長度變化,也只有10的21次方分之一。換算成具體的長度,相當於地球到太陽的一億五千萬公里之間的變化,只有一個原子的大小,可以想見這樣的測量有多麼困難。

重力波對天文觀測有什麼影響?可以借大家熟知的「瞎子摸象」來說明。過去幾百年來,人類一直是透過光學望遠鏡來觀察天象,就好像盲人一直在摸著象鼻子,摸得再久,還是以為大象長得像根水管一樣。到了二十世紀,無線電波發明之後,終於人類可以摸到象肚子了,這時候會覺得原來大象長得像個鼓。雖然不正確,但總比象的鼻子來得複雜得多,即使發現了象有肚臍眼,都是非常偉大的貢獻,也因此過去相當多天文學家,拿到了諾貝爾獎。

接下來紅外線、紫外線、X射線、γ射線的加入,都讓我們看到天象原來是這麼的複雜,就像大象加上了耳朵、腿跟尾巴一樣。到了二十世紀末,微中子被當作觀測天文的手段,也因此在二十一世紀拿過兩次的諾貝爾物理獎。微中子的特性可以讓我們看到天象的內部,而不只是表面。而這一次加入的重力波,則讓我們發現,原來這隻天象還是會走路、會運動的。

將這些所得資訊拼湊起來,終於讓我們對宇宙有了更清楚的認識,並且能夠進一步的分析,宇宙到底發生了什麼事情。可是科學家這樣就滿足了嗎?當然不會。科學有趣之處,就在於我們了解了舊的東西之後,得到的是更多的疑惑。

以這一次測量到重力波來說,再度證明了愛因斯坦的相對論是正確的。可是新的問題來了,過去用天文觀測手段所發現的黑洞,不是在星系當中的超大質量黑洞,就是質量不超過太陽20倍的小型黑洞。而這一次測量到的四個重力波事件,都是由超過20倍太陽質量的兩個黑洞,合併成一個更大的、數十倍太陽質量的黑洞所造成的。

這些中型質量的黑洞,過去為什麼沒有透過天文觀測方法被發現?如果過去的兩年當中,就有四個黑洞互繞合併,那麼在宇宙一百多億年的歷史當中,需要多少黑洞,才能造成足夠的碰撞事件?宇宙為什麼會有這麼多黑洞?成因是什麼?它們在宇宙當中是如何運動,互相碰撞的?天文科學家們又要忙上好一陣子了。

獎項/2017諾貝爾物理獎
得主/三位美國科學家:
萊納・魏斯(Rainer Weiss)、巴里・巴里什(Barry Barish)、基普・索恩(Kip Thorne)

(撰文/淡江大學物理學系助理教授  秦一男;首圖來源/ nobelprize.org

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