【發現重力波】愛因斯坦預言成真 重力波證實存在 助解宇宙起源

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「We have detected gravitational waves! We did it!」(我們偵察到重力波!我們做到了!)科學家賴齊(David Reitze)興奮宣布。不只是記者會上頂尖的物理學家,全球科學愛好者都難掩激動之情,畢竟證實重力波堪稱21世紀最重大的天文學成就,足以贏得諾貝爾獎。

由LIGO發放的兩個黑洞相撞模擬圖。(LIGO)

美國的「鐳射干涉儀重力波觀測站」(Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱LIGO)在香港時間昨晚11時30分的記者會中正式公布,團隊利用華盛頓州及路易斯安那州的探測器,偵測到極微小的重力波活動,證實了愛因斯坦100年前發表的廣義相對論中最後一個「預言」。愛因斯坦100年前已經提出過,其實人揮一揮手時空都會隨之而扭曲,只是效果極其微小。愛因斯坦雖然提出這個稱為重力波(Gravitational wave)的理論,但連他自己本人也認為微弱到難以偵測。

結果他說對了--重力波存在,同時也估錯了--科學家終於偵測到。

證實的方法也不難理解,還記得中學讀過的干涉效應(Interference)就夠用。科學家在一個「L」形狀的實驗室發射一道激光,以分光鏡一分為二,一道直走,一道向左走。在4公里盡頭會遇鏡反射回頭,正常來說回來相遇之時,兩道光會因為干涉效應互相抵消。但如果有重力波經過實驗室,時空就會扭曲,兩條隧道就會改變長度,光波沒有完全抵消,最後就會仍然有光。

什麼是重力波?01百科告訴你

理論上似乎不難明白,但其實要執行起來相當困難。重力波專家、中大朱明中教授向《香港01》解釋,「物理學測量方法多是易懂難做。不但執行難,設計可行方法亦不容易。因為是否能達到要求的精度,需考慮很多因素,做很多詳細計算」。今次的科學家設計出近乎真空的鐳射干涉儀重力波觀測站(LIGO),而且在美國東岸和西岸各有一個,用來排除環境干擾,務求精準。

2015年9月14日標準時間9時50分45秒,一個歷史性時刻來臨了。東岸先偵察到來光波變化,7毫秒後到西岸偵測到,而且數據近乎一致。科學家經精密計算後,確認這就是重力波,而且來源足足距離地球13億光年。

太空的很遠很遠處有兩個黑洞,一個質量是36個太陽,一個是29個太陽。它們在13億年前相遇捲入重力旋渦,以一半光速相撞合成一個大黑洞,質量相等於62個太陽。慢著--36加29應該是65,少了3個太陽在哪裡?原來餘下質量化成了重力波,如漣漪般向外擴散,最後來到宇宙另一端的地球。科學家更加整理出這次黑洞大合併的聲音,頻率在人類可聽範圍。

 

中大朱明中教授:發現重力波非幸運

朱明中說,科學家「碰巧遇上這個雙黑洞併合的時機,但即使今次錯過了總會有下次重力波經過,所以不算靠幸運」。

愛因斯坦1916年在廣義相對論中提出重力波理論,當物質或能量的形狀或速度改變,就會扭曲附近的時空狀態,產生重力波,像漣漪般以光速在宇宙傳播。在黑洞相撞或巨型星體爆炸這類猛烈的宇宙事件,固然會產生重力波,但經歷遙遠旅程來到地球已變得微乎其微,所以科學家一直從未偵測到。

 

或許是歷史的巧合,就在100年後的2016年,Rainer Weiss、Kip Throne等物理學家終於證實了重力波,實現廣義相對論中最後一個「預言」,研究成果亦已獲學術期刊認可。今次發現重力波的重要性,堪比幾年前發現上帝粒子(希格斯玻色子),對人類破解宇宙大爆炸之謎,乃至有關時空扭曲的理論都非常重要。不少學者都認同,今次發現肯定可奪得諾貝爾獎。

科學家相信大爆炸後的最初期,宇宙是渾沌漆黑一片,之後物質凝聚產生能量才開始發光。換言之,要探索大爆炸和宇宙最初期的情況,人類不可能依賴各式光線,而重力波正好為科學家破解這個謎團的鎖匙,甚至令科學家能了解大爆炸一刻的情況。

研究發現重要性 開創觀察宇宙方法

其實就算一直未證實,學界普遍早已認同重力波存在。今次研究另一個重要之處,在於其方法學上的突破。之前科學家多憑光線觀察宇宙,無論那是可見光、紅外線又或是X光,今次卻開創了另一種觀察宇宙的新方法。要知道宇宙另一邊的活動,原來在實驗室裡分析激光數據同樣可以。

「這是革命性的發現。我們一直以來都只能憑光線來觀測宇宙,但只能看到其一部分。重力波可提供完全不同的資訊。所以我們是開拓了一個廣播頻道,讓我們探索從未認識的宇宙理論。」伯明翰大學教授Alberto Vecchio解釋。

著名物理學家霍金對今次突破性發現表示祝賀,形容它可顛覆天文學界,也印證了自己40年前有關黑洞的推測。這是首次偵測到雙黑洞系統,也是首次觀察到兩個黑洞合併。霍金表示,今次觀察這套黑洞系統的特徵,與他1970年在劍橋大學時作出的推論脗合,最終黑洞的面積亦較他當年推測的大。霍金認為今次發現有助人類探索黑洞。

(綜合報道)

My congratulations to the LIGO team on their discovery of gravitational waves. It is a result that is at least as...

Posted by Stephen Hawking on Thursday, February 11, 2016

賴齊教授公布他所領導的團隊證實了重力波的存在。(路透社)



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