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【科學講堂】諾獎證重力波研究貢獻

2017-10-11

印證「物體質量或能量扭曲時空」理論

本月初,瑞典的諾貝爾獎委員會宣佈,2017年的物理學獎由 Rainer Weiss、Barry C. Barish及Kip S. Thorne三位奪得,以表揚他們對偵測重力波(gravitational wave)作出的貢獻。

那麼,重力波是什麼?其實這個問題,在去年年初重力波首次被偵測到的時候就已經有過廣泛的討論;倘若各位讀者當時沒有留意,或是現在忘記了,希望今天的介紹會對你有幫助。

廣義相對論作框架 「床墊」「保齡球」比喻助理解

首先,什麼是「波(wave)」?將石子投進湖中,或是用手指輕輕在平靜的水面上點一點,就會造成水波,向四面八方擴散開去;使用電路令電子左右搖晃,就會造成電磁波(electromagnetic wave)( 例如用來傳遞訊息的無線電波)。

那麼重力波又是如何造成的?我們須記得愛因斯坦(Albert Einstein)在20世紀初為了解釋水星奇怪的軌跡,改良了牛頓(Isaac Newton)萬有引力的理論,而提出了廣義相對論(General Relativity)。在這個理論下,物體的質量或能量會扭曲時空,因而影響其他物件的移動。

我們可以將時空想像成一張有彈性的床墊。假若將沉重的保齡球放在床墊上面,就會令其扭曲。這個保齡球在床墊上左搖右擺,床墊將會因應它的移動,扭曲成不同形狀。

保齡球剛開始搖晃的時候,床墊的這種活動只會局限在球附近;慢慢地,這樣的扭動就會好像「波」一樣擴散到床墊的其他部分。

這種因為沉重物體的移動而擴散出去的時空扭曲,就是重力波。

藉其了解中子星黑洞狀況

那麼為什麼平時我們好像感受不到重力波的存在?這是因為萬有引力並不是很強,平常物件移動所引起的重力波,實在是太微弱了。非得依賴中子星(neutron star)、黑洞等等這些比太陽還要重的天體的移動,才能製造出可供我們偵測的重力波。

反過來說,科學家們相信宇宙中存在很多中子星及黑洞,如果有一對比較靠近,就會因為萬有引力的影響而互相牽引,繞蚢鴾頩庣恲鄏茞ㄔ肣咫O波。因此偵測重力波,容許我們認識宇宙的不同部分中,中子星或黑洞的狀況,是另一個探索宇宙的重要工具 。

小 結

重力波的偵測,很有點承先啟後的意味。作為廣義相對論預測的一個現象,重力波的確存在,再一次印證了愛因斯坦的理論;另一方面,重力波為我們開啟了認識宇宙的更多門戶,為進一步推進我們的知識領域提供了更多的機會。

至於這些微弱的重力波是如何被我們偵測到的?下星期再為大家闡述。 ■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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