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2017/10/04

2017年諾貝爾物理學獎》物理學與天文學追尋百年的聖盃──重力波Q&A - Yahoo奇摩新聞


 




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愛因斯坦(Albert Einstein)百年前的理論預言,終於在極先進、精密的觀測技術中現身,將為人類對於這個世界的知識與理解帶來根本的變革。讓科學家等待了一個世紀的重力波(gravitational wave)到底是何方神聖?為何如此難以捉摸?有何驚人作用?本文為你一一解惑。

問:什麼是重力波?

1916年,愛因斯坦發表石破天驚的「廣義相對論」(general theory of relativity,GTR),預測了重力波的存在。簡而言之,重力波是一種「時空曲率的漣漪」(ripples in the curvature of spacetime),以波的形式從源頭向外傳播,並以重力輻射的形式傳遞能量。



廣義相對論指出,質量會扭曲時間與空間。可以想像為將一顆保齡球放在彈翻床(trampoline)上,周遭的物體會以它為中心向它「落下」。當物體加速,附近的曲率會隨之改變,這種曲率變化會以光速向外傳播,也就是重力波。

物體質量越大,重力波的效應越顯著,越容易被探測到。因此宇宙中最強的重力波,是來自最激烈、最壯觀的事件,例如兩個黑洞相撞、大型恆星爆炸,或者138億年前創生宇宙的「大霹靂」(Big Bang)。




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雙星系統的重力波(維基百科)
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雙星系統的重力波(維基百科)

問:重力波為什麼如此重要?

重力波的存在得到證實之後,我們對於時間、空間等基本概念的認知都會改變。同時重力波也將開出天文觀測的新場域,它能夠穿透電磁波所無法穿透的空間,讓人類更加瞭解遙遠的恆星、星系與黑洞。

在大霹靂之初輻射出的「太初重力波」(primordial gravitational wave)特別難以探測,但也特別重要,讓我們一探宇宙誕生初期的「暴脹」(inflation)光景,尤其是暴脹發生時的能量量級(energy scale)。



問:重力波為何如此難以探測?

由於重力波的效應實在太過渺茫,因此就連愛因斯坦本人也沒有把握人類是否有能力探測。舉例而言,兩個黑洞相互環繞時,輻射出的重力波其波長可能有100萬公里,但振幅不到一個原子的大小。

就探測重力波的「雷射干涉重力波天文台」(LIGO)而言,其雷射光束雖然長達4公里,但如果探測到來自遙遠星系的重力波,其變化大約只有1個質子的寬度。




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全球重力波探測機構(LIGO)
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全球重力波探測機構(LIGO)

問:那麼我們到底要如何探測重力波?

1974年的時候,科學家發現史上第一個脈衝雙星系統「赫爾斯─泰勒脈衝雙星」(Hulse–Taylor binary pulsar),發現這兩顆中子星的公轉周期和距離會逐漸變小,原因顯然是它們以重力波的形式損失能量。這是人類首次發現重力波存在的間接定量證據,兩位科學家因此榮獲1993年的諾貝爾物理學獎。

至於直接探測,更是歷盡艱辛。1960年代,美國馬里蘭大學的韋伯(Joseph Weber)製造鋁質實心圓柱「共振質量探測器」是第一架實際投入應用的重力波探測器,但是效果並不理想。

多年來,地面與太空的天文望遠鏡則是聚焦宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background,CMB),試圖察覺重力波的效應。

2014年3月17日,哈佛─史密松天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics,CfA)的天文學家宣布利用位於南極的「第二代宇宙泛星系偏振背景成像」(BICEP2)探測器,在CMB中觀測到重力波效應,但後來的分析驗證無法排除星際塵埃的可能。



另一種方法是觀測物體之間距離極細微的變化。重力波通過物體時,在其行進方向,會造成物體的伸展與擠壓。LIGO與其位於義大利的姊妹探測器「VIRGO」就是要探測這種效應。

1991年,麻省理工學院(MIT)與加州理工學院(Caltech)在美國國家科學基金會(National Science Foundation,NSF)的資助下開始建設LIGO。其主要部分是兩個互相垂直的長臂,每個臂長4000公尺,臂的末端懸掛著反射鏡,大功率雷射束在臂中來回反射大約50次,使等效臂長大大增加,形成干涉條紋。重力波會造成光程差發生變化,導致干涉條紋發生移動。




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2017年諾貝爾物理學獎,三名美國學者因首度觀測到「重力波」獲獎。
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2017年諾貝爾物理學獎,三名美國學者因首度觀測到「重力波」獲獎。




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2017年諾貝爾物理學獎,三名美國學者因首度觀測到「重力波」獲獎。
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2017年諾貝爾物理學獎,三名美國學者因首度觀測到「重力波」獲獎。

為了消除地震對系統帶來的干擾,LIGO光學裝置安裝在結構複雜的防振台上。為降低空氣分子熱運動的影響,內部抽成10的負12次方大氣壓的真空。此外LIGO還在路易斯安那州和華盛頓州建造兩個相同的探測器,彼此相距3000公里,只有兩個探測器同時接收到的資訊,才有可能是重力波的信號。




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雷射干涉太空天線開路者號(LISA Pathfinder)(維基百科)
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雷射干涉太空天線開路者號(LISA Pathfinder)(維基百科)

去年12月3日,個歐洲太空總署(ESA)的「雷射干涉太空天線開路者號」(LISA Pathfinder)發射升空,為ESA的「雷演化雷射干涉太空天線」(Evolved Laser Interferometer Space Antenna,eLISA)進行開路工作。eLISA就是一座重力波天文台,預計2034年發射升空。


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轉貼來源:Yahoo 新聞
企管顧問


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