LIGO 如何發現重力波及其後的可能

在愛因斯坦提出重力波（因強烈的宇宙碰撞引起時空出現漣漪）超過一百年後，LIGO（雷射干涉重力波天文台）科學家在路西安那州和華盛頓利用大型、極精準的探測儀確認重力波存在。LIGO 的天文物理學家 Gabriela González 告訴我們這項獲得諾貝爾獎的神奇發現是怎樣發生的，它又將怎樣影響我們對宇宙的理解。

大約一百多年前，在 1915 年，

愛因斯坦發表了他的廣義相對論，

這個理論命名有點奇怪，

但它的說明對象是重力。

這個理論指出質量──
所有物質和星球──會互相吸引，

並非基於牛頓所提出的瞬時力，

而是因為所有物質，
包括我們人類和所有星球，

使富彈性的時空結構出現了皺摺。

我們活在時空中，
時空聯繫我們所有人，

情況好比我們躺在牀墊上，
使其形狀發生改變。

我重申，質量移動
並非基於牛頓定律，

而是基於時空曲率，

物質跟隨那些微弱的曲線移動，

就好像牀墊凹了下去，

使枕邊人向我們靠攏一樣。

（笑聲）

一年後，在 1916 年，

愛因斯坦從自己的理論

推論出重力波的存在，

重力波在質量移動時產生，

比如當兩個星體互繞著對方轉動，

在時空造成帶有系統能量的摺皺，

星體便互相靠近。

不過，他預計

其作用太微小，

不大可能加以測量。

但我想告訴你

上百名在眾多國家工作的科學家

是怎樣埋頭苦幹數十載，

終於在最近 2015 年，

首次觀測到重力波。

這是個漫長的故事，

一切從 13 億年前開始。

很久很久以前，

在一個遙遠的星系，

（笑聲）

兩個黑洞互繞著對方轉動，

我會說它們就好像在「跳探戈」。

剛開始速度很慢，

但隨著它們釋放重力波，

它們加速接近對方，

直至彼此都以光速轉動，

最終融合成一個黑洞，

它的質量是太陽的 60 倍，

但給壓縮成 360 公里的空間，

正是我所定居的
路易斯安那州的面積。

這個奇妙的作用產生了重力波，

把黑洞融合的消息傳開去。

我們花了很長時間才發現重力波，

因為我們須找出距離的變化
才能測量重力波。

我們想要量度經度、距離。

當重力波經過地球，

時為 2015 年，

它們改變了所有距離，

包括你們所有人之間的距離，
你和我之間的距離，

還有我們的高度，

我們每個人都伸長又縮小了少許。

科學家預測其變化與距離成正比。

但變化很小，

即使是比我那細微的身高
變化大許多的距離，

其變化也是極微小的。

假如地球和太陽之間的距離

僅改變了一原子直徑，

我們可以測量到這個變化嗎？

我們可以怎樣進行測量呢？

50 年前，

加州理工學院和麻省理工學院
一些有遠見的物理學家，

例如：基普·索恩、
朗納·德瑞福、萊納·魏斯，

他們認為可以利用雷射

量度公里以外的鏡子間的距離，

從而精確地測量距離。

為了發展這項科技和意念，

科學家耗費了大量時間、人力和物力。

20 年後，

即大約 30 年前，

他們開始在美國建造兩座干涉儀，

它們是重力波探測儀器。

干涉儀每座長四公里；

一座位於路易斯安那州利文斯頓，

在美麗的森林中央，

另一座位於華盛頓漢福德，

在沙漠之中。

干涉儀備有雷射，

可從中心發送，

雷射通過四公里的真空距離後，

給鏡子反射回原點。

我們會計算兩臂所測量的距離的差。

這些探測儀非常，非常靈敏，

是世上最精密的儀器。

為什麼要有兩座？

那是因為我們想要測量
來自太空的訊號，

而鏡子總是在移動，

為了識別重力波的作用──

重力波是天體物理學的作用，

會在兩座探測儀上顯現出來──

我們可以把重力波從分開出現的
局部作用中區分出來，

那些效果將在其中一座干涉臂可見。

在 2015 年九月，

我們正在完成在探測儀上

裝置第二代技術的工作，

我們仍未取得期望的最佳靈敏度──

即使兩年後的今天
仍未達至最佳效果──

但我們希望收集數據。

我們認為將不會有什麼發現，

但已準備要收集數個月份量的數據。

然後，大自然給我們送上驚喜。

在 2015 年 9 月 14 日，

我們在兩座探測儀

都發現到重力波。

在兩座探測儀，

我們都看見了一個訊號，

振幅和頻率周期性上升然後下跌。

而且兩座儀器
探測到的訊號都是一樣。

它們是重力波。

分析這種波動不但讓我們得出結論：

它們是在超過十億年前，

多個黑洞合而為一時造成的，

而且那是……

(掌聲)

那是非常美妙。

最初，我們無法相信這是事實，

我們沒想像過會發生
這樣的事情，直至後來；

對我們來說，這是一個驚喜。

我們花了數個月時間說服自己，

因為我們不希望有任何出錯的地方。

然而，那是真的，釋除疑惑後，

探測儀真的能測量那些能量，

同年 12 月，

我們測量到另一重力波，

比首次探測所得的波動小。

首次探測到的重力波
產生的距離相差為

每四公里四千分之一質子。

沒錯，第二次探測所得較為微小，

但按我們的標準來說，
結果仍是可信的。

雖然這些是時空波動，而非聲波，

但我們喜歡用擴音器
來傾聽這些波動，

並稱之為「宇宙的音樂」。

我希望你們也來聽聽這支音樂的首兩個音符。

（鳴聲）

（鳴聲）

第二個較為短促的聲音是

在一秒的最終的兩個黑洞，

在那一瞬間，它們釋出巨大能量，

能量之高好比
把三個太陽轉換成能量，

遵從那道有名的方程式：

E = mc2.

你還記得嗎？

我們很喜歡這音樂，事實上還跳舞。

我將讓你再聽一遍。

（嗚聲）

（嗚聲）

這是宇宙的音樂！

（掌聲）

現在人們經常問我：

「重力波可以用來做什麼？」

「你現在已經發現了重力波，
還剩下什麼要做？」

重力波可以用來做什麼？

人們問波赫士：「詩歌有何作用？」

他接著回答：

「黎明有何作用？

愛撫有何作用？

咖啡有何作用？」

他回答：

「詩歌的作用是帶來愉悅；

為情感而存在，為生活而存在。」

而去理解宇宙的慾望，

這種人類對萬物如何運作的好奇心

是很相像的。

自古以來，人類──

當我們所有人
每個人還是孩子時──

首次仰望天空，看見星星，

我們好奇：

「星星是什麼來的？」

那種好奇心是人的特性，

也是我們發展科學的原因。

我們會說重力波現在有用途了，

因為我們開拓了探索宇宙的新方式。

之前我們能夠使用電磁波

來觀測星光，

現在，我們能夠聽到宇宙的聲音，

即使那些東西並不會放光，

比如像重力波。

（掌聲）

謝謝。

（掌聲）

但它們實用嗎？

我們不能用重力波開發任何科技嗎？

能夠的，

但需要很長時間。

我們已經發展了技術去探測重力波，

但就重力波而言，

可能我們將在
一百年後才發現其用處。

從科學到科技需要大量時間，

但並非我們實行的原因。

所有科技都從科學而來，

但我們從事科學是為了享受。

還剩下什麼要做？

很多。

很多；這只是個開始。

隨著我們使探測儀更趨靈敏──

那已經是很大的工作量，

我們不單會看見更多黑洞，

能夠紀錄黑洞的數量、位置和大小，

我們還能夠看見其他物體。

我們將可以看見中子星
融合並轉化為黑洞。

我們將可以看見黑洞誕生。

我們將可以看見銀河的星星旋轉，

產生正弦波。

我們將可以看見超新星
在我們的銀河爆炸。

我們將會看見新事物的完整波譜。

我們想說

我們為人類增加了新感官：

現在，除了看得見，

我們能聽得見。

這在天文學是一項革新，

像伽利略發明了望遠鏡一樣。

情形好比人們為默片增加了聲音。

這只是個開始。

我們認為

科學的路很漫長──

很有趣，但很漫長，

而我們這些科學家
是一個龐大的國際性團體，

來自眾多國家，組成一個團隊，

正協助建設這條路；

我們照亮道路—儘管有時會遇上此路不通 —

並且建設一條可能是

直達宇宙的高速公路。

多謝各位。

（掌聲）