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百年預言成真!愛因斯坦的宇宙:發現重力波 | 科技 | 新頭殼 Newtalk

百年預言成真!愛因斯坦的宇宙:發現重力波 | 科技 | 新頭殼 Newtalk

「愛因斯坦過世以後經過了60年,這依然是他的宇宙。」——《紐約時報》(2015年12月28日)

以美國為中心的國際研究團隊於11日上午在華府(台灣時間同日晚間11時30分)公布,人類史上首次成功地質監觀測到「重力波」,也就是在宇宙空間因為扭曲而發生波傳導,這是在正好100年前愛因斯坦於「廣義相對論」中所提出預言的現象。

根據日本放送協會NHK於12日上午報導,重力波的觀測,可以說是值得獲得諾貝爾獎的成就。日本專家學者也表示「將會帶動天文學飛躍性的發展」,給予極高的評價。

重力波,是黑洞等天體所生出宇宙空間「扭曲」而發生波動傳導的現象。根據研究團隊的說法,於去年9月觀測到,兩個黑洞因碰撞、融合而產生的重力波。

研究團隊進一步說明,這兩個黑洞,質量分別是太陽的29倍和36倍,可以說是非常地大,而所觀測到的重力波,是在13億年前所發生的。在此之前,人類從未直接觀測到重力波的現象,不只是美國,美國和歐洲等世界科學家都持續努力希望能捕捉到這個天文現象。

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發現重力波存在的兩個黑洞。圖:LIGO

這次觀測成功的「雷射干涉重力波天文台」(Laser Interferometer Gravitational-Wave,簡稱LIGO),在美國西部華盛頓州和南部路易西安那州的2個地方都設有天文觀測裝置。率領研究團隊的加州理工學院教授瑞茲(David Reitze)在記者會一開頭就大喊:「觀測到重力波了!」喜悅之情溢於言表。

觀測到重力波的這項發現,可以說是值得獲得諾貝爾獎的成就,今後世界各國的科學家,也將更進一步繼續驗證相關的觀測數據。

愛因斯坦的百年預言:「最後的功課」

愛因斯坦發表的「廣義相對論」,準確說中了宇宙中為數眾多的現象,成為現在物理學發展的基礎,但是這其中,唯一沒有被直接觀測到的,就是100年前他所預言的「重力波」,因此,又被稱為愛因斯坦所留下的「最後的功課」。

在「廣義相對論」中,所有擁有質量的物體,會彎曲其相對應的空間,而在此流動的時間的速度,也會因此發生變化。愛因斯坦預言,所謂的「重力波」,就是該物體在運動的時候,空間的扭曲會形成波動,以光速向周圍傳遞,不會被任何東西所阻擋遮蔽。

1993年,美國的2位物理學家由分析2顆持續互相環繞的脈衝星的軌道,間接證明了重力波的存在,因而獲得了諾貝爾物理學獎。

但是,由於愛因斯坦預言的空間扭曲現象極其微小,理論發表後一直到今天的100年間,一直都沒有直接觀測到重力波的成功案例,世界各國的研究機關也持續競相爭逐努力中。

名留青史的成功

根據美國國家航空暨太空總署(NASA)的說法,從半世紀前開始嘗試觀測尋找重力波開始,究竟成功發現的桂冠會花落誰家?由哪一國的研究團隊實際觀測成功呢?一直備受世界注目。

因此,幾天前「雷射干涉重力波天文台」(LIGO)研究團隊公布「將報告最新成果」的時候,世界各國紛紛刊出相關推測的報導。而在華府的記者會會場,全球媒體更是擠得水洩不通。之後,當率領研究團隊的加州理工學院瑞茲教授在記者會一開始說道:「觀測到重力波了!」即使是媒體記者們也紛紛大力鼓掌慶賀。

在記者會上介紹觀測到的重力波的波形時,根據瑞茲教授的說法,華盛頓州和路易西安那州的兩個觀測器,所觀測到的波形是驚人的相似。「最初看到的時候非常震驚。是否是看到其他的天文現象呢?必須要消除所有其他的可能性才能確認。」

之後,瑞茲教授與其他研究者會面,以此波形為基礎,確認並表示出來了這個重力波的聲音,也就是初次介紹的好像是什麼爆裂開來啪一聲的短音,引發了記者會場上所有人的關心。

日本專家也緊盯成果發表

日本觀測重力波的研究團隊也緊盯記者會現場。正在日本架設中的觀測裝置「KAGRA」研究團隊中,負責分析觀測數據的大阪市立大學教授神田展行,與研究室成員共同聚集在大阪住吉區大學會議室,緊盯網路上國際研究團隊的記者發表會Live轉播,時而動手做筆記,時而側耳傾聽,記者會結束後,所有成員熱烈拍手叫好。

神田教授表示:「雖然需要閱讀論文並加以驗證,但是單憑聽聞發表,就感到這是非常驚人的壯舉。愛因斯坦所預言存在的『重力波』,世界第1次被捕捉到,自然是非常驚人,但是這個重力波是由黑洞而出,這個研究切入點也相當令人驚訝。無法發光的黑洞,捕捉到重力波的存在以外,沒有可以觀測到黑洞的方法。這次的成果,也可說是觀測到支持黑洞存在的證據。」

在此之上,「這次的發表,使我們充滿勇氣,日本的觀測裝置『KAGRA』應該也可以觀測到重力波。今後,包含日本在內的世界各地,將會統整天文觀測體制,開始進行本次研究成果的驗證,這對於物理學和天文學的發展是非常重要的。」

「揭開天文學的新時代序幕」

研究基本粒子物理學的東京大學數學物理連攜宇宙研究機構村山齊表示:「非常非常地興奮,這揭開了天文學新時代的序幕」,給予這項發現非常高的評價。

村山教授出差前往華府,在接受NHK訪問時,以郵件回覆:「愛因斯坦雖然給出了震動時空的預言,但如今才加以驗證確認。雖然見到了能夠捕捉到微小波動的『漣漪』的技術,但這也真是前所未有的高難度科技。」村山教授進一步加以評論:「現在,能夠透過重力波『聽到』黑洞的存在。這對於正在建造重力波觀測器『KAGRA』的日本相關研究者來說,是非常好的新聞。我將期待,從今以後令人驚嘆的發現陸續出現。」

關於LIGO重力波天文台

LIGO,「雷射干涉重力波天文台」,是美國加州理工學院和麻省理工學院所共同建設的觀測天文台。這項實驗,有全世界15個國家1000人以上的科學家參加中。

LIGO所設置的觀測器,是長4公里的2根又長又大的管子所組成的L字型,管子中間保持真空的裝置。相同的裝置,分別架設在美國西部華盛頓州和南部的路易西安那州2個地方。

這2個裝置,管子中用雷射光持續照射,在雷射光去而又返的時間內的輕微變化,很有可能是因為重力波而產生的變化。同樣的變化,在兩地觀測器中同時被觀測到,再加以相互驗證,就可以判定是否是重力波。

LIGO重力波觀測天文台,從2002年起開始觀測重力波,一直到2010年為止,8年間一次都沒能觀測到重力波,因此停止了觀測。之後,為了能提升觀測能力10倍以上,開始了5年的改建裝修工程,因而成為比「先進版LIGO」更尖端的LIGO,然後從去年9月開始,再度開始進行觀測。

其他觀測重力波的天文觀測器也有,包括歐洲研究機構在義大利建設、從2007年起開始使用的「VIRGO」,以及在日本岐阜飛驒市的「KAGRA」。

NASA:「期待已久的一步」

以美國為中心的國際研究團隊,發表了這項研究成果。美國國家航空暨太空總署11日也發布新聞稿表示:「這是開闢宇宙物理新領域期待已久的第一步。」

NASA的新聞稿於11日刊載於其官方網站上,首先介紹於美國首都華府發表的LIGO重力波觀測天文台的觀測成果,接著加以評論並給予高度的評價:「我們對於宇宙相關的知識,幾乎全部是透過觀測滿天繁星所發出的光,以這樣的形式所得到的。能夠研究重力波這件事,如果要比喻的話,就如同透過一扇新窗,能夠見到宇宙,能夠大幅地補充其他方式觀測所得的研究結果。」

於此之上,關於LIGO本次直接觀測到重力波,是透過兩個黑洞融合的現象,NASA表示:「將會嘗試透過X光等方式來觀測。如果能夠透過複數的方式觀測到的話,應該能更加深對於這個現象的理解。」並表示將會和歐洲太空總署等機構共同進行探測。

愛因斯坦的宇宙

回顧去年年終,新頭殼編譯《紐約時報》12月28日所選出的「2015十大科技新聞」,其中一則新聞:「愛因斯坦的天體慶祝活動」,正呼應了今天的重大里程碑:

「2015年,是愛因斯坦「廣義相對論」(theory of general relativity)提出的百年紀念。廣義相對論描述了物質和能量如何彎曲了時空幾何,就像是睡覺的人讓床墊下沉一樣。

今年,在了解愛因斯坦理論中其中一個最古怪也最悲觀的預測上,也帶來了進展的希望:時空可以彎曲,就像是魔術師的斗篷覆蓋著巨大的物體,然後將之擠壓消失在黑洞裡。

MIT研究團隊希望能捕捉到銀河中間一個黑洞的影像。其他的天文學家也正追蹤兩個以死亡之舞的姿態相互環繞的黑洞,距離我們35億光年。這兩個黑洞看來即將走向末日啟示錄的碰撞。」

果然,「愛因斯坦過世以後經過了60年,這依然是他的宇宙。」

本文所附的是特別重要影片:兩個黑洞碰撞融合的聲音

根據廣義相對論,巨大的質量會扭曲時空。所謂重力波,就是這樣的扭曲會變成波動,以光速傳播。圖像為以太陽為例,所扭曲的時空形象。   圖:LIGO
根據廣義相對論,巨大的質量會扭曲時空。所謂重力波,就是這樣的扭曲會變成波動,以光速傳播。圖像為以太陽為例,所扭曲的時空形象。   圖:LIGO
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