财新传媒
位置:博客 > 江才健 > 宇宙涟漪的一池春水

宇宙涟漪的一池春水

  去年九月十四日,追蹤重力波多年的科學家,收到他們所設計探測器發出的訊號,告知他們有了重力波的訊息,經過近半年的資料分析,他們認為探測到的訊號,可以認定是重力波,於是以論文公開發表,一時之間,重力波成為熱門名詞,有些將之形容爲宇宙時空的漣漪,給世人描繪出一幅美麗的圖像。
  此一美麗科學想像,有來自大科學家愛因斯坦加持的因素,因為此重力波是愛因斯坦一百年前廣義相對論的衍生物。愛因斯坦以幾何概念詮釋時間與空間,形塑出的新「時空」想像,確實一新物理科學之眼界,但是他的廣義相對論卻是幾經掙扎,才得出最後數學論據,發表之後也還多有保留,其中之一就是重力波。
  愛因斯坦的廣義相對論,克服了當時以牛頓引力場論不能解決的水星近日點運動問題,但是「幾何時空」概念依然過於先驗,如果要驗證光線在通過強大的引力場會偏折的「幾何時空」理論,一個方式是利用日蝕時機,來看看是否能觀測到太陽背後遙遠星球的曲進光影。
  早在愛因斯坦發表最終廣義相對論之前,他與蘇黎世理工學院一位數學很強的同學,共同完成的一篇場論文章,有稱為1913年初始論文,其中便預測光在引力場會發生偏折。1914年八月正好有一次日蝕,一位與愛因斯坦認識的年輕天文學家馮德利許( Erwin Finlay Freundlich),原準備到黑海邊的克里米亞去進行探測,不巧因那年爆發了一次世界大戰而作罷。
  廣義相對論在1916年發表,1918年一戰結束,第二年又有一次日蝕,那就是科學歷史上有名的1919年英國天文物理學家愛丁頓(Arthur Eddington)的日蝕探測。
  那年愛丁頓帶領一個探測隊,到西非洲外海普林西普島進行日蝕時的攝影探測,他們拍攝的照片,認為是給愛因斯坦廣義相對論帶來了堅實證據,不但更進一步強化愛因斯坦的舉世名聲,愛丁頓也因而馳名國際。
  英國大科學哲學家懷海德(Alfred Whitehead)後來在哈佛大學的羅威爾演講,曾經將愛丁頓在英國皇家學會宣布探測結果,當場所引起的興奮氣氛,形容爲一種希臘戲劇的氣氛,那彰顯了希臘悲觀的一種宇宙命定的必然性。事實上,後來有科學歷史學家仔細探究,發現當年愛丁頓攝影所用的底片,可以接受的溫度誤差是華氏十度,而西非外海普林西普島的晝夜溫差達華氏二十二度,因此那一次探測所拍攝的照片,證據可靠度並不充足。那麼,爲什麼世人願意相信如此一個科學探測結果呢?
  那個探測之後,在英國劍橋大學執教的愛丁頓,成為愛因斯坦廣義相對論的一個權威詮釋者,他的學生,著名的大科學家戴森(Freeman Dyson)文章中透露,愛丁頓自認是最瞭解愛因斯坦廣義相對論的人,戴森說愛丁頓的廣義相對論課程十分深刻精彩,但是愛丁頓晚年卻陷入他自己所構想的一個基本理論,不克自拔。
  這回重力波訊號的探測結果,在資訊快速傳播的網路年代,難免有點「滿村聽說蔡中郎」的味道。科學界自是謹慎其事,因為前年才有南極探測計畫發表了錯誤訊號,因此去年九月有了頭一個訊號,先要確定那不是其他地球或人爲活動造成,他們比對這一次的訊號,認為分別在美國東南部路易斯安那州以及西北部華盛頓州兩個探測儀先後接收到的訊號,與愛因斯坦理論的吻合,以及訊號接收的時差,都十分完美,甚至過於「完美」。他們估算如此完美結果出錯的機會,要超過二十萬年才可能發生一次,也就是說錯誤訊號的機率十分的低,然後參與計畫的一千名科學家,半年時間經五千封電子郵件溝通,才最後撰寫論文發表。
  探測重力波的計畫,利用的探測器叫做「雷射干涉重力波探測儀」(LIGO),外形是兩條彼此垂直交叉,長達四公里的真空管道,其原理是利用由一個管道一端發射出來的雷射,在距離發射端較近的兩管垂直交叉點,由一個分光器分成兩束雷射,一束繼續直接往前,另一束九十度偏折射向垂直的另一管道,兩束雷射由遠端反射折回,理論上應該會同步合而爲一。
  這個實驗設計的原理,是認為如果有重力波通過如此兩條垂直管道,重力波的極化特質,會在垂直方向上產生延伸或收縮的效應,造成管道長度的改變,因而造成分離的兩束雷射,回歸原點時不再同步。因此只要將此儀器的偵測準確度設計的十分精細,便有可能發現重力波造成的效應。
  LIGO 探測儀的構想格式,使人自然想到麥克遜儀-莫利的光速實驗,而此一探測的最早成功則出自美國物理學家威伯(Joseph Weber ),他在1960年代便以鋁柱探測器探得重力波訊號 ,雖說後來一直引起爭議,但是現在探測重力波的領域,多認為威伯是開路先驅,因為目前LIGO的設計概念,最早就是他與另一科學家所提出。就某個意義來說,威伯可說時運不濟,他曾經最早提出了發展雷射的概念,但是肯定雷射發展的諾貝爾獎頒給了他人,後來兩位物理學家以探究雙星系統中子星,發現重力波的間接證據,也因此得到了諾貝爾獎。
  探測重力波的構想提出後,九O年代科學家提出LIGO計畫,然後開始建造第一代的探測儀,六年前又進一步提高靈敏度,建造可以探測出比質子小一千倍改變的先進LIGO,終有此次的發現。
  此次發現可說一掃前年南極計畫的挫折,讓此領域科學家振奮不已,但是重力波的存在還需要更多佐證,目前先進LIGO之外,還有在義大利和德國的較小探測儀,另外日本也在建造一個探測儀。此外歐洲的雷射太空探測天線以及中國大陸太空探測的太極和天琴計畫,都是超過十億美金的未來雄心計畫。
  一百年前,愛因斯坦不但對重力波持疑,也懷疑黑洞的存在。此番科學家說,他們探測到兩個繞動黑洞所放射的重力波,也攪動起科學人間的一池春水。
推荐 7