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2017.10.03 10:56

【2017諾貝爾物理獎】傳頌大霹靂的重力波

撰文/安德森(Ross D. Andersen)    翻譯/李沃龍 
這三位美國物理學家在愛因斯坦預言重力波的100周年,成功偵測到重力波,成了2017年諾貝爾獎得主。(圖截自麻省理工學院官網)
這三位美國物理學家在愛因斯坦預言重力波的100周年,成功偵測到重力波,成了2017年諾貝爾獎得主。(圖截自麻省理工學院官網)

愛因斯坦的廣義相對論,預測了宇宙時空結構的漣漪:重力波。

到底重力波存不存在?美國學者衛斯(Rainer Weiss)、巴里希(Barry C. Barish)和索恩(Kip S. Thorne)所成立的「宇宙重力波雷射監測站 」(LIGO) ,終於在2016年初首度直接偵測到重力波,而2016年正是愛因斯坦預言重力波的100週年。 這三人剛成為2017年的諾貝爾物理獎得主。

究竟什麼是重力波?多年來,物理學家如何想方設法證明它的存在?以下是科學人雜誌的詳盡報導。

假設你想一窺時間的起點,也就是宇宙誕生的那一刻,你可能會打造一架完美的望遠鏡,威力強大到足以看見可觀測宇宙的盡頭。你會遠離遮掩星光的文明,開始勘查乾燥無比的山巔,在靠近山頂的高處鏟整出一塊平坦的地基,在上面建造起具備最先進科技的天文台。天文台裡將裝設一面巨型鏡子,大小遠比太空中任何望遠鏡的口徑還大,並配置一系列精密的偵測器。然後,你會耗費數十億美元與數年的時間,來確保沒有遺漏任何一顆光子。但你究竟能看到什麼?以一個適宜觀測的夜晚為例,月亮隱匿於地平線之下,幽暗卻開闊的蒼穹覆蓋於頭頂上,紫黑色的展示櫃裡會閃耀著什麼樣的珠寶?

確實有許多值得一看的景色:在相對於固定旋轉的星座前面,你可看到寥寥無幾的漂泊行星;在它們後頭佈滿微弱白斑的背景上,鄰近的群星閃爍;某些位於數億光年外的星系,在天空中較幽暗的角落裡微微發光。如果把你的完美望遠鏡指向正確的位置,它將揭露仍在膨脹且更深邃的宇宙,帶你追溯最古老的第一代恆星──混著些許氦氣的巨大氫氣球體,熾熱的表面照亮了年輕的宇宙。

但光有其極限,無法呈現完整的宇宙。你可以在每個晚上都澈夜使用望遠鏡觀測,卻永遠無法瞧見黑洞的中心,或回溯太古之初。大霹靂之後的數十萬年間,新生宇宙裡的光子就像墜入爛泥中的螢火蟲般,被困在密不透光的厚實粒子原湯裡。直到大霹靂後38萬年,宇宙才冷卻到某種清澈透明的狀態,形成一個可看見初生閃光的空腔。我們將此閃光稱為宇宙微波背景輻射(comsic microwave background, CMB),它是現代宇宙學的重要課題,也是一堵時間之牆,在它的背後是無盡的漆黑。

幾個世紀以來,這種小心蒐集古早光線的方式,一直主導著對宇宙的觀測,也是宇宙學最雄心壯志的實驗是否得以成功的關鍵。但無論我們的望遠鏡變得如何巨大且靈敏,光仍然無法照亮太古之初。要想一窺CMB之前,回到宇宙誕生之時,宇宙學家必須借助於將自身回音散佈於整個空間的重力,我們稱此回音為「重力波」(gravitational wave)。我們需要與望遠鏡截然不同的新儀器,才能偵測到這些回音。

宇宙交響樂

在數十年前,我們開始建造可觀測重力波的儀器,但目前已證實是徒勞無功。直到寫作此文為止,造價5億7000萬美元的雷射干涉儀重力波觀測站(Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory, LIGO)就是這類嘗試的最佳代表。它由三台儀器組成,其中兩台位在美國華盛頓州,另一台則在路易斯安那州。每一台儀器都是罕見的工程傑作,這些雷射測量儀能夠偵測到一個原子寬度的振動。LIGO藉由射向兩支垂直臂的雷射,測量它們之間的長度差──這項技術稱為雷射干涉術(參見43頁下方〈雷射干涉儀〉)。倘若有一道夠大的重力波經過,將會來回拉扯兩臂,因而改變它們之間的相對長度。基本上,LIGO是一座天體聽筒,一座用來傾聽隱形宇宙所奏出微弱交響樂的巨型擴音器。

如同許多奇異的物理現象般,重力波源自於理論的概念,是方程式的產物,而非感官經驗所致。愛因斯坦是第一位意識到廣義相對論預測有重力波存在的人,他理解到某些超大質量的物體在高速運動時,會猛烈拉扯空間結構,進而發送出橫貫自身的微弱波浪。 有多微弱?愛因斯坦認為重力波太過微弱,以至於永遠無法觀測到。但是在1974年,侯斯(Russell Hulse)與泰勒(Joseph Taylor)這兩位天文學家藉由精巧的實驗,仔細研究一種稱為波霎雙星的天體,推論出重力波確實存在。波霎是恆星爆炸留下的內核,會快速自轉、閃閃發亮。它們十分規律地轉動並發射閃光,這種可用來做為宇宙時鐘的特質,使它們備受天文學家喜愛。在波霎雙星系統裡,其中一顆波霎與另一個天體(在這個案例中,那是顆超緻密的中子星)彼此互相繞行。侯斯與泰勒領悟到若愛因斯坦的相對論正確無誤,則互繞的兩個天體會產生重力波,因而將軌道能量排出系統外,使它們的軌道縮小、互繞速率變快。這兩位天文學家畫出該波霎的可能路徑,然後經年累月地觀察它,看看數據中是否能呈現出軌道縮小的跡證。結果不但出現軌道縮小的現象,且完美符合侯斯與泰勒的預測,清晰明確的圖形完全證明了愛因斯坦的理論,讓他們兩位榮獲1993年的諾貝爾物理獎。

LIGO的大麻煩是只能聽見這些波霎雙星最終一刻發出的重力波:當燦爛的雙星互繞加速時,劇烈擾動所引發的一連串強大波動,像是一種無法觀測的宇宙死亡哀鳴,傳播到太空中的每個角落。我們的宇宙或許幅員遼闊且充斥著無數恆星,但雙星坍縮卻極為罕見。想要規律地聽見它們,便得訓練你的耳朵,讓聽力能夠遍及於宇宙的某個巨大範圍。然而直到最近,LIGO的研究還只局限於幾個世紀裡也不見得會發生一次雙星坍縮事件的區域。

但LIGO的首次興建其實是一次預演,用來解決在寬達數公里的尺度範圍內,因儀器整合所伴隨產生的工程難題。現在,LIGO的工程師知道他們能讓更複雜的偵測器成功運作,因此正在提升靈敏度。很快地,LIGO的偵測距離將擴至五億光年的範疇,這項改進使它在一年內可聽見多達數百次的雙星坍縮事件。多數天文學家預期當LIGO於2016年重新運作後,便能在幾個月內直接偵測到重力波了,而2016年正是愛因斯坦預言重力波的100週年。

發現重力波代表什麼意義

原子波動

雖然LIGO造價昂貴,但追求的目標並不遠大。在某種程度上,它是一項用來印證概念的任務,這是把重力波科學推進至太空(這個最適合觀測重力波的環境)前所必須進行的第一步。我們的行星並不適合建造重力波天文台,因為地殼經常遭受地震雜訊的衝擊,這些雜訊是地表下頻繁的板塊碰撞與上方海洋晃動的產物,所有這些晃盪與震動可以輕易掩蓋物質位移所造成的微弱重力波。若想聽見各種重力波,我們必須把偵測器放置於大氣之上的無垠太空中,那裡的條件遠比地表舒緩平靜許多。

在美國航太總署(NASA)哥達德太空飛行中心,有兩組工程團隊正期許自己成為第一個把重力波偵測器擺上太空的團隊。其中較早成立的團隊,數十年來一直在改進這項任務──雷射干涉儀太空天線(Laser Interferometer Space Antenna, LISA)。LISA任務是一項大膽的工程計畫,與它所要求的精確度相比,LIGO看來就像是一款樂高遊戲而已。這項計畫必須發射三艘太空船,形成邊長500萬公里的等邊三角形來環繞太陽。一旦太空船進入適當位置,便啟動雷射持續測量彼此之間的距離。若有重力波席捲而過,干擾太空船並扭曲了三角形,便能夠捕捉到重力波的證據。

自從30多年前,一群重力波科學先驅在NASA的會議室裡,於餐巾紙上描繪出大致的草圖後,LISA的基本設計便不曾有太多的改變。但隨著工程師設法克服偉大設計所遭遇的實際挑戰後,它的確不斷改良精進。在1990年代末期與2000年代初期,LISA成為繼韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)之後,NASA下一項天文物理學旗艦任務的早期競爭者。但自那些年起,JWST用掉了NASA大部份的天文物理學預算,再加上LIGO未能觀測到重力波,天文學家發現很難再為重力波偵測器爭取到數十億美元的案子。像LISA這類任務,恐怕得超過10年之後,才有順利升空的機會。

這些遲延使NASA的籌備任務表上出現空檔,因此允許科學家在太空中測試嶄新的重力波偵測概念。最近,在NASA先進概念研究所的一個小組,根據一種稱為原子干涉術的先進科技,開始發展新款的重力波感應器。這個研究團隊沒什麼組織,到目前為止,這種重力波感應器還稱不上是完全成熟的任務,團隊的主要領導者——JWST的干涉儀工程師薩夫(Babak Saif)與美國史丹佛大學的應用物理學教授卡瑟維契(Mark Kasevich),都另有其他主要的目標。對他們而言,這只是他們在每星期工作閒暇之餘隨意玩玩的次要計畫罷了。

今年2月時,我造訪了薩夫在哥達德的雷射實驗室,他在那裡開始慢慢打造原子干涉儀,並期待這項技術可成為更小巧、更靈敏的重力波偵測器基礎。做為舉世最具聲望的太空研究實驗室之一,哥達德裡有許多學術血統優秀的科學家,但薩夫出身卑微。薩夫舉家從伊朗移民到美國後,便定居在維吉尼亞州北部,那年他17歲。他在當地的一所社區學院開始修習科學與數學,夜間在加油站工作以賺取生活費,且證明自己很快跟上學校的課程。1981年時,他獲得全額獎學金並轉學到美國天主教大學,在幾年內便取得兩個博士學位。薩夫到哥達德之前,在太空望遠鏡科學研究所待了10年,他在那裡設計出最終將用來測試JWST眾多鏡子的干涉儀。薩夫的干涉儀將確保鏡子可精確到奈米尺度,以避免再次發生像哈伯太空望遠鏡那樣,送上軌道後才發現鏡子錯位的大災難。

薩夫解釋他與卡瑟維契的任務概念類似LISA,也必須測量軌道上太空船之間的距離。但LISA利用合併太空船間照射的雷射光束來測量距離的變化,薩夫與卡瑟維契的任務反而使用位於太空船之外的原子(參見右頁上方〈原子干涉儀〉)。由於原子干涉儀測量的不是太空船,而是原子雲之間的距離,因此尺度可以縮小許多,目前任務設計所需的臂長較LISA的短了5000倍。

這項技術的威力在於精確度。重力波推移所造成的太空船間距變化,可能只有兆分之一毫米,但原子干涉儀依然可偵測出這樣細微的差異。

不過,並非所有人對原子干涉儀都那麼熱中。有限的太空科學研究經費已導致薩夫的原子干涉儀團隊與LISA團隊緊張對立。在某種程度上,這兩項任務的觀念類似,都需要太空船間的精準協調,也都利用干涉儀來做精密測量。根據薩夫的說法,從光波干涉術換成原子干涉術可將降低造價、提升偵測器的靈敏度,同時縮減太空船間的龐大距離。最後這點一直是LISA的致命缺陷。

LISA團隊認為原子干涉術之所以能節省經費,得拜它是全新技術所賜。他們指出,天真的新科技擁護者往往低估了在研發階段所耗費的巨大成本。他們還說一項設計的真正價格,只有在該任務都已安排妥當時才會浮現出來;因為只有到了那一刻,才會開始見識到因系統整合而出現的更多艱鉅工程挑戰。

麻煩的光

在哥達德,我問薩夫是什麼原因促使他投入他的空閒時間,在如此不確定、甚或永遠無法升空的任務上頭。他告訴我,是新物理的可能性讓他如此著迷。他期待在幾十年後,天文學將迎接一個劃時代的變革──從利用光子轉成利用重力子。

的確,重力波有助於彌補光在科學研究上的許多缺陷,不只是光無法告訴我們關於時間的起點而已。光還受到其他的限制,像是做為資訊的載具。首先,它是粒子間交互作用的產物:當光疾馳衝入宇宙時,就說明了諸如恆星內部的氫融合成氦這類微小事件的發生,這是極微小尺度的記錄。如果我們想知道大型天體如何在時空裡運動,就必須匯集從這些微小事件所發出的光,並依此做出推論。也就是說,我們必須自行拼湊出表層的鑲嵌圖案。

更糟的是,由於光通常來自於熱活動極度強烈的環境,因此常會扭曲我們所看到的宇宙樣貌。天文學上巨大、顯著且醒目的光都是熾熱事件的產物,恆星臨終時的超新星爆發就是個例子。所以,當我們觀察宇宙時,我們所見到的結構會偏向熱而混亂失序的區域。

此外,光的訊號是很脆弱的。當它穿越宇宙時,常會變得稀疏,甚或完全消失不見。有些光會被路途上的巨大氣體雲吸收,其餘則四散紛飛,或者是墜入深邃的重力阱,再也無法被看見。最深的阱就屬超大質量的黑洞了,它們是宇宙結構的基石,所有星系都以它們為中心分佈、運轉。科學家希望能夠更了解這些黑洞,尤其是當兩個黑洞合併時,究竟會發生什麼事情。但無論是望遠鏡或是眼睛,都看不見來自黑洞的光,因為即便光子的速度如此之快,也逃脫不了黑洞中心的吸引。

所以,宇宙學家只能無奈地接受並未被黑洞吞噬的光,光從黑洞周遭疾馳而過,並努力掙脫被劇烈扭曲的時空所挾持之物質魔掌。幸運的是,重力波訊號並不像光那麼敏感。它絕對不會被散射或稀釋,反而輕盈起伏,乾乾淨淨地流瀉在宇宙中,幾乎絲毫不受路徑上龐大天體影響。

太古回音

在哥達德之旅後幾個星期,我訪問了普林斯頓大學天文物理系的主任史伯哲(David Spergel),他是世上最卓越的宇宙學家之一,目前擔任美國國家研究委員會宇宙學與基礎物理的10年研究委員會主席。在決定宇宙學長期研究的優先順序上,該委員會的報告扮演重要的角色。大家都知道NASA非常重視此報告的推薦,這代表史伯哲對於NASA決定執行哪項科學任務有極大的影響力。

我們在他的辦公室坐定後,史伯哲隨即詳細說明重力波的優點。他解釋說重力波總是可以穿透宇宙,這點與光不同,沒有什麼奇怪的宇宙條件可以掩蓋住太古之初。的確,重力波會在大霹靂後的那一刻起即順利傳送給我們,但我們怎麼知道周遭已有重力波存在?

史伯哲告訴我:「你必須非常快速移動大量物質才能產生重力波,相變是可以滿足此項條件的方法之一。」當物理系統改變狀態時,就發生了相變;水凝結成冰就是個標準範例。不過,也存在宇宙尺度大小的相變,其中有些就發生在大霹靂後很短的時間內。以夸克為例,今天,夸克大都被束縛在原子核裡,但在宇宙開始的幾微秒時,它們都在宇宙學家稱做「夸克–膠子電漿」(quark-gluon plasma)內自由亂竄。到了某一刻,宇宙就從這夸克–膠子電漿轉化成以質子與中子為主的新狀態。

史伯哲說:「如果發生了像這樣的一階相變,電漿內會形成泡泡,造成許多物質劇烈移動。」當新狀態的泡泡在舊狀態中形成時,就會突然發生一階相變。這些泡泡會膨脹並彼此碰撞,直到舊狀態完全消失,相變便結束了。此混亂的過程將製造出強大的重力波,可能在今天正衝向我們。若能偵測到它們,這將提供我們窺探宇宙新生時期的機會。

此外,可能還有更早期的重力波存在。在某些宇宙暴脹模型裡,宇宙首次的指數型膨脹恰與時空的量子漲落同時發生,量子漲落的漣漪造成了宇宙某些區域較其他區域膨脹得更快速。這些漲落可能產生一種稱做隨機重力波的特殊重力波,它們早在宇宙年齡只有10-36秒前便已形成。

史伯哲告訴我:「大多數的宇宙暴脹模型都預言,這種隨機重力波來自於非常早期的宇宙。如果我們可以觀測到它,它會向我們顯現重要的基本物理,也將讓我們看到極早期的宇宙樣貌,而當時宇宙的能量是我們能從大強子對撞機獲得的1013倍。」

尋找隨機重力波會是項所費不貲的科學工作。偵測它勢必非常困難,因為這需要極靈敏的儀器,加上辛苦處理數據,以便把珍貴的太古重力波從已被無數重力波訊號轟擊的太空偵測器裡篩選出來。如果能夠從天上的每個角落收集到這種訊號,並除去偏差的雜訊,你將得到一幅隨機重力波背景,也就是重力波的全天分佈圖。這樣,你就有一本嶄新的宇宙學基礎文本可供研讀。

LISA與薩夫原子干涉術概念的任務設計,都針對諸如黑洞合併這類較保守的目標來偵測重力波。在人心激昂的太空時代,LISA的設計者曾幻想著大霹靂天文台,可用於專門研究隨機重力波的後續任務。但這種天文台終歸只是大膽的嘗試,這樣的概念還需數十年才可能落實。薩夫告訴我,他願意顛倒任務的優先順序,先去尋找隨機重力波,但至今他所做出的設計,依然瞄準和LISA相同的訊號。這種保守的步驟是應付廣大天文物理社群的外交伎倆,他們雖然對重力波科學感興趣,但希望它慢慢展開,先瞄準已知存在的目標。

史伯哲告訴我:「超大質量黑洞碰撞是項基本的重力波實驗。如果我們把重力波天文台送上太空,卻聽不到巨大的黑洞撞擊聲,這表示我們對宇宙的理解必定有某些嚴重的錯誤。」他說:「不過,最終的目標是宇宙學。」   

在某一點上,史伯哲的10年研究委員會是在黑洞和宇宙學之間,或者原子干涉術與光波干涉術之間做個抉擇。該委員會已確定要在10年的中間時刻重新召開,以評估並修正他們在2010年時所定下的方向。在下一個10年研究委員會召開前,JWST將已經升空,這應能釋出經費給目標遠大的太空科學任務。

當我站起來告辭時,我問史伯哲他是否已心有所屬,或從長遠的觀點來看,他是否認為薩夫的任務要比LISA為佳。他告訴我,他並不確信原子干涉術的概念最終會勝出,但他相信那確實有趣而值得用心考量。然後,他告訴我一個故事:「許多年前,遠在朱棣文獲得諾貝爾獎之前,我與他談論該如何做出偉大的科學工作,然後他說了一席令我永生難忘的話。」史伯哲在送我出去時說:「他說你必須把自己放在從事可能很重要的實驗的位置上。」他繼續說道:「我想這些實驗就落在那個範疇裡。」

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(本文已取得科學人雜誌授權刊登)

更新時間|2017.10.03 14:47

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