本世紀最偉大科學發現──重力波

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科學家首次直接探測到重力波,開啟天文學革命。 圖片來源:NASA
科學家首次直接探測到重力波,開啟天文學革命。 圖片來源:NASA

2 月 11 日本港時間 23:30,一眾美國科學家宣佈:LIGO(雷射干涉儀重力波天文台)首次直接偵測到重力波(Gravitational wave)。

一百年前,愛因斯坦早已預言重力波的存在,不過其後的實驗最多只能間接探測;是次發現則證實了廣義相對論的重力輻射理論,並可藉此檢測天體運動乃至一百三十七億年前的宇宙大爆炸,意義之大,格拉斯哥重力波研究中心主任 Jim Hough 表示:「這是本世紀最重大的科學發現,比發現上帝粒子更偉大。」

物質會扭曲時空,質量愈大,扭曲愈大。 圖片來源:NASA
物質會扭曲時空,質量愈大,扭曲愈大。 圖片來源:NASA

重力波是甚麼?

重力波好比「時空漣漪」,由天體的劇烈運動引起,例如黑洞合併、脈衝星自轉、超新星爆發等,都能引發重力波。廣義相對論表明:物質會扭曲時空。當物質的分佈改變,時空亦會相應變化,變化以光速傳播開去,就是重力波。

兩個黑洞互轉釋出重力波。 圖片來源:NASA
雙黑洞圍繞碰撞,釋出重力波。 圖片來源:NASA

探索宇宙起源

重力波不同於電磁波,穿透力比中微子更強之餘,又不會與物質產生互動,因此重力波所攜帶的星體訊息更加完整清晰,譬如今次偵測到的重力波來自黑洞碰撞(代號 GW150914),遠自十五億光年,亦即地球所探測到的,其實是十五億年前的訊息。透過分析重力波的能量和來源,科學家甚至能追溯遠至一百三十七億年前宇宙大爆炸所引起的餘波,從而理解宇宙起源,而電磁波(宇宙背景微波輻射)只能傳達大爆炸後三十八萬年的景象,差別之巨可見進步之大。另外,直接檢測有助檢驗其他引力理論,促進引力量子化的研究,為重力波天文學(Gravitational-wave astronomy)奠下基礎,為宇宙研究開啟另一扇窗

LIGO 借助光速探測,偵測到重力波的存在。 圖片來源:LIGO
LIGO 以干涉儀偵測到重力波的存在。 圖片來源:LIGO
LIGO 干涉儀構圖。 圖片來源:LIGO
LIGO 干涉儀構圖。 圖片來源:LIGO

如何偵測重力波

LIGO(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory;雷射干涉儀重力波天文台)以分光鏡將一束激光分為兩束,分別游走於九十度叉開的兩條走廊,來回反射以加長激光的行走路徑。一般情況下,兩束激光的頻率和波長一致,但如重力波作用存在,則會影響兩束激光的波長和頻率,導致疊加的干涉條紋出現改變。換一個說法:重力波會扭曲時空,光速恆定之下,假如重力波存在,將會拉長其中一邊的距離,兩束激光的「抵壘」時間因而錯開,觀察反射光的行走時間,即能準確推算重力波的影響、天體來源的質量及距離等訊息。