【動畫】百年相對論預言成真!讓科學家都嗨翻的重力波是什麼?為何這麼重要?

【動畫】百年相對論預言成真!讓科學家都嗨翻的重力波是什麼?為何這麼重要?
photo credit: PHD Comics截圖
我們想讓你知道的是

距今100年前,正是愛因斯坦提出廣義相對論的偉大紀年。廣義相對論是建構現代物理學的二大基石之一,其中關於重力波(gravitational wave)的存在推測,終於在宇宙重力波雷射監測站(LIGO)計畫中得到證實。重力波是什麼?重要嗎?為什麼科學家會說「如今天文學終於有了耳朵」?隨著Piled Higher and Deeper的動畫、CNN的訪談,三分鐘教你認識重力波!

編按:

距今100年前,正是愛因斯坦提出廣義相對論的偉大紀年。廣義相對論是建構現代物理學的二大基石之一,其中關於重力波(gravitational wave)的存在推測,終於在宇宙重力波雷射監測站(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, LIGO)計畫中得到證實。重力波是什麼?重要嗎?為什麼科學家會說「如今天文學終於有了耳朵」?隨著Piled Higher and Deeper (PHD Comics)的動畫、CNN的訪談,三分鐘教你認識重力波!

重力波是什麼?
重力波是廣義相對論的假設。要了解重力波之前,先來了解廣義相對論的核心觀念:重力是時空扭曲的現象。
時空扭曲怎麼來的?有質量的物質就像一顆保齡球,丟在彈簧床上讓床墊凹陷下去,這個曲面就是扭曲的時空。質量越大的天體,時空扭曲的越厲害,像是太陽擁有巨大的質量,造成周遭的時空劇烈扭曲。在彎曲的時空中,地球以為自己走的是直線,其實從外面看起來是繞圈行走,這就是公轉軌道的成因,也解釋了萬有引力的現象。

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重力波的假設
有質量的物質加速運動時,會造成時空的伸展壓縮,這個變化會像漣漪一樣傳播開來,就是重力波。

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重力波的偵測方法
我們可以用「尺」來偵測重力波嗎?答案是NO,因為如果你我之間的時空變化了,尺的刻度也會一起變形,我們就無法察覺扭曲的現象。但是「光」不會因為時空扭曲影響,科學家就能用光速測量。
LIGO建造L形的隧道,讓雷射光在隧道內行進。當有重力波扭曲時空的時候,一條隧道縮短、一條則會拉長讓重力波通過,經由雷射光測量長度變化,科學家就知道重力波來了!

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偵測重力波是件很難的事情
但是重力波造成的變化非常非常細微,好比在10的21次方公尺上的竿子,辨識5公釐的壓縮。不只如此,科學家還得在實際測量中的大量波形內,與預期的波形相比對,才能區辨重力波。過去還因為技術上的困難,愛因斯坦甚至認為人類永遠無法證實!

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偵測到重力波為什麼這麼重要?
重力波提供了全新方式讓我們探索宇宙!重力波的證實,不僅驗證廣義相對論的理論,更能超越光學望遠鏡的限制,探索宇宙大爆炸40萬年後的發展!經由重力波的觀測,人類距離黑洞等宇宙謎團又更近了一些。

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哥倫比亞大學教授Szabolcs Marka在CNN訪談中說:「過去天文學家們只有眼睛,如今終於有了耳朵。」重力波是認識宇宙發展的一大進步,也將人類帶往全新、未知的領域探索奧祕。

延伸閱讀:
三分鐘看懂「重力波」!愛因斯坦最古怪、最狂野的推測得到證實(關鍵評論網)
簡單明瞭的重力波捕獲現場——科學超抖宅報(Pan Sci 泛科學)
Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory(紐約時報)

實習編輯:林書宇
核稿編輯:洪婉蒨

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