簡單明瞭的重力波捕獲現場

（原文同步刊載於泛科學）

太空，人類的終極邊疆。[1]

身在地球的我們，對於遠在宇宙其他角落的事情，要如何得知呢？除了像〈星際爭霸戰〉裡親自跑一趟之外，最簡單的方法，當然是從地球直接察看。很幸運地，許多的星體現象（如超新星）或天文事件（像雙中子星的碰撞），常常會產生電磁輻射。藉由簡單如肉眼、或是各種電磁波段的望遠鏡，我們便能發覺、甚至研究宇宙的奧妙。事實上，早在公元185年，人類就已有超新星（Supernova）的觀測紀錄。

不過，很多時候上述手段並不適用、或者不見得能夠得到我們想要的資訊。

廣義相對論，二十世紀最知名物理學家亞伯特．愛因斯坦（Albert Einstein）的真知灼見，則提供了我們另一種可能的分析管道——重力波。

愛因斯坦認為，時間和空間並非獨立存在的；我們在空間中的運動，實際上也會影響到自己時間的流逝快慢[2]——時間和空間是一體的，合稱為時空（spacetime）。不僅如此，因為質量會產生重力，而當有質量的物體在時空中加速運動時，就像水面上航行的船隻泛起漣漪，重力的變化會以光速、類似波的形式向外傳播——我們稱之為重力波[3]。

但是，重力波要如何偵測呢？

試著想像：如果有一天，太陽不見了（先不管它是被某個宇宙大王消滅了還是怎麼樣），相應的重力波抵達地球時，我們會觀察到什麼現象呢？或許有人會說，此時地球應該有更嚴重的麻煩，但沒關係，基於科學家的求知慾，我們就是想在世界末日時測量重力波。[4]

回到水面漣漪的例子。假設有兩隻小蟲飄浮在水面上，當漣漪經過小蟲時，會發生什麼事呢？從日常生活經驗，我們知道小蟲會隨著水面的變化而起伏。即使它們從頭到尾沒有移動，兩隻小蟲的相對位置還是會因水面的波動而產生改變——這也是重力波通過地球時預期會發生的事情。當時空因為重力波而擾動，兩個靜止的物體間距應該會有些微的改變，我們便能依此原理設計實驗觀測。

非常可惜的是，重力波的觀測相當不容易。即使是最猛烈的天文事件（例如一開始提到的超新星、或雙中子星等），其產生的重力波等到越過遼闊的宇宙抵達地球，對實驗裝置的空間距離造成的影響微乎其微，無論如何也比原子核的直徑要小千倍、萬倍，幾乎感覺不到它的存在；鄰近地球卻又沒有夠強力的重力波源（往另個方向想，對地球的生物或許是件好事，不用擔心極端天文現象的威脅）。這也是為什麼人類至今都尚未成功觀測到重力波。[5]

反過來說，若重力波很輕易就可以被觀測、甚至強到在我們日常生活中都能感覺到，那會發生什麼事？這下子，我們自己可就成了水面上的小蟲了：所在空間無處不搖晃、扭曲，把我們搞得七葷八素，比地震還恐怖——那將會是全星球的震動和變形。

然而！重力波偵測就在不久前（2016年2月11日）有了新的突破性進展！雷射干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，簡稱LIGO）正式宣佈從雙黑洞互相環繞進而碰撞、融合成新黑洞的系統觀測到其存在；在廣義相對論發表正值一百週年的現在，令諸多物理學家魂牽夢縈的重力波終於向人類顯露出它的尾巴——這絕對是物理學界重要的里程碑。對於實驗細節有興趣的讀者，不妨閱讀徐一鴻（A. Zee）教授著作的〈膨脹的宇宙——愛因斯坦的玩具〉一書的第三章，或是科學月刊的好文。

雷射干涉重力波天文台的設施一瞥（圖片來源：Nature Photonics）

不過，為什麼觀測重力波如此重要？

雖然愛因斯坦的廣義相對論已經獲得許多成功，但重力波的存在卻是最後一個尚未被直接證實的重要預言。也因此，對廣義相對論的驗證來說，這無疑是非常重要的。

除此之外，如開頭所提及的：很多時候，傳統的觀測方式並無法給予我們想要的資訊。例如，黑洞因為幾乎不會發光、而發出的光（稱為霍金輻射Hawking Radiation）又難以測量，使得黑洞成為無法用望遠鏡直接察看的天體典型。這種時候，重力波觀測就派得上用場。

又例如，宇宙誕生初期所產生的重力波，現在仍充斥在我們四周；若能從中分析，將可以幫助我們理解宇宙誕生的祕密。

再者，雖然我們有廣義相對論能夠描述重力，但至今卻未能成功將重力與量子理論作統合。如果能夠觀測到重力波，對於重力的既有認知、抑或對發展更完備的重力理論，都會有所幫助。

無論如何，隨著重力波被觀測到，重力波天文學（Gravitational-wave astronomy）也將蓬勃發展，人類對於宇宙和重力的理解也將邁入嶄新的階段。對科學家而言，這一切都讓人興奮不已。就讓我們勇敢航向人類足跡從未踏至的領域吧！[6]

星際爭霸戰電影裡的企業號（圖片來源）

參考資料：

• 1. 徐一鴻（A. Zee） (2006) 膨脹的宇宙——愛因斯坦的玩具

註釋：

• [1] 著名科幻影集〈星際爭霸戰（Star Trek）〉的開頭旁白第一句。
• [2] 此已經過實驗證實並廣泛運用在我們的日常生活中，例如衛星定位技術就利用了相對論進行計時的修正。
• [3] 另一個類似的例子：在高中物理課我們曾學過，加速運動的帶電粒子會輻射電磁波；這與加速運動的具質量物體會輻射重力波非常相似。
• [4] 小提醒：重力波是以光速傳遞的，所以我們並無法預知重力波的到來（除非有事物能超越光速通知我們），只能事先做好準備。
• [5] 一些讀者或許有印象，在2014年曾有相當大篇幅的新聞報導，說明國外的研究團隊找到了重力波。只是很可惜地，根據愈來愈多的資料和分析結果，該發現最終無法提供具有足夠說服力的證據。
• [6] 著名科幻影集〈星際爭霸戰（Star Trek）〉的開頭旁白最後一句。在此也順便推薦台北天文館翻譯的易懂影片。