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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