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，繞着對方團團轉而產生重力波。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。
逢星期三見報
