重力波:愛因斯坦的最後預言(上)

重力波:愛因斯坦的最後預言(上)
Origianl Images Credits: Portrait: Ferdinand Schmutzer; Background: Henze, NASA
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在100年後的今天,美國的激光干涉重力波天文台(LIGO)將舉行記者會,發表愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言——重力波(gravitational wave)——的直接證據。

愛因斯坦在1916年正式發表廣義相對論,至今剛好100週年。廣義相對論徹底推翻牛頓重力理論,把重力和加速度統一。當時空被物質或能量所扭曲,就會產生所謂的重力。重力原來非「力」,而是時空結構和質能互動的結果。

廣義相對論與量子力學成為現代物理學的兩大支柱。這兩個理論各自描述宏觀和微觀的世界,其預測亦被越來越精確的實驗逐一驗證。愛因斯坦的廣義相對論預言的時空扭曲效應,例如重力透鏡、宇宙膨脹、黑洞等等,都已經被天文觀測所證實。

在100年後的今天,美國的激光干涉重力波天文台(LIGO)將舉行記者會,發表愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言——重力波(gravitational wave)——的直接證據。

廣義相對論說,時空會被非常重的物質扭曲。想像時空是一張彈床的表面,上面放一個網球和一個保齡球。保齡球比較重,所以彈床表面會被保齡球壓得比較深。把網球滾向保齡球附近,網球就會沿著保齡球附近被扭曲的彈床表面公轉,看上去彷彿網球被保齡球的一道無形的「力」給拉了過去。這就是重力的表現。

Animated image converted from video. Original video credit: R. Hurt - Caltech/JPL

Animated image converted from video. Original video credit: R. Hurt – Caltech/JPL

如果有兩個保齡球在彈床上呢?這樣的話,兩個保齡球就會互相圍繞其重心公轉。彈床表面就會因為兩個保齡球循環施壓而形成向外擴散的彈床波浪。說回重力,當兩個極高質量的天體——通常是中子星或黑洞——互相圍繞公轉,時空就會被它們的重力循環拉扯而形成向外擴散的波浪。這個重力的波浪,就叫做重力波。

直接探測重力波非常困難,即使極高質量的天體,其所造成的重力波波幅仍然非常小。位於路易斯安那州和華盛頓州的兩個LIGO重力波探測器,使用中學物理都會學到的簡單光干涉原理,把兩束互相垂直的激光各自沿著4公里長的隧道發射,在隧道盡頭用鏡反射回起點重新結合,形成干涉圖像。

Photo Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory

Photo Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory

Photo Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory

Photo Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory

如果重力波經過地球,因為互相垂直的方向的時空扭曲程度不相同,兩束激光所走過的距離就會有所不同,干涉圖像就會改變。LIGO在2015年9月升級完成成為Advanced LIGO (aLIGO)之後,能夠探測大約10-22到10-23的距離變化,大約等於萬分之一個質子大小。經過計算,此極其細小的距離變化與宇宙中最強烈的重力波源——黑洞雙星系統或中子星雙星系統——發出的重力波強度吻合,因此科學家預期aLIGO將能首次直接探測重力波,證實它的存在。

在今天LIGO的記者會,我們將有望親眼看到愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言被證實。雖然我已得知部分內容,但由於保密協定,我不能在這篇文章寫關於今次觀測的內容,留待於今天記者會稍後上載的第二篇文章之中解釋。敬請期待!

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責任編輯︰鄭家榆
核稿編輯︰周雪君