2017年11月27日

2017諾貝爾物理獎——無遠弗屆、鉅細靡遺 全方位的重力波探測

倪維斗/清華大學物理系。

基普·索恩(Kip Thorne, 1940~)
國籍|美國
現任|加州理工學院
研究領域|天體物理學、 重力波天文學


巴里·巴利許(Barry Barish, 1936~)
國籍|美國
現任|加州理工學院
研究領域|物理學


萊納·魏斯(Rainer Weiss, 1932~)
國籍|美國
現任|麻省理工學院
研究領域|物理學、雷射物理學、
實驗引力學、宇宙背景測量



2016 年2 月11 日美國雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)在記者會上,宣佈LIGO 團隊和Virgo(義大利和法國在Pisa 地區建造的3 公里臂長重力波天文台)團隊以LIGO 兩個相距3000 公里、臂長4公里的重力波干涉儀探測到距離我們約13 億光年的兩個大約為30 太陽質量黑洞的互繞及合生所產生的重力波。這次的合生是在2015 年9 月14 日探測到的,信號持續的時間為0.2 秒。合生時最大的重力波亮度大於可觀測到宇宙所有恆星亮度的總合。因其合生時的距離,最大的重力波應變達到探測器時的應變為10-21,對4 公里臂長的長度變化為4 am(attometer,atto 為10-18 之義),約為鋁原子核的千分之一。

本年度的諾貝爾物理獎宣佈頒給LIGO 重力波天文台3 位重要的推動者麻省理工學院(MIT)的魏斯(Rainer Weiss)教授,以及加州理工學院(Caltech )的索恩(Kip Thorne)教授和巴利許(Barry Barish )教授,以茲表彰。LIGO 團隊和Virgo 團隊在2 年內已宣佈發現6 對黑洞的合生引力波。並在2017年8 月17 日探測到距離我們約1.3 億光年的雙中子星互繞及合生所產生的重力波,奠定了多信使天文學的基石,驗證光速和重力波速相差小於3×10-15之程度、潘加瑞(Poincaré)的想法及廣義相對論的預測。重力波的探測開啟了天文學新的領域,進一步的發展可使靈敏干涉儀探測大部分的宇宙,無需以管窺天,可以說是人類科學發展上的極致。而這極致的達成有賴無遠弗屆鉅細靡遺引力基本物理定律的建立和近代儀器的發展。重力波的探測才剛開始,其頻段從0.01 aHz 至1 THz 以上均有團隊在實驗探測。




波動
波動可簡單分為三種:標量波、向量波與張量波。聲波是密度標量波,可以有單極輻射;其波動方向和傳播方向相同,因之是縱波。電磁波是向量波,沒有單極輻射,可以有二極輻射;其波動方向和傳播方向垂直,是橫波。地震波是應變張量波;其波動方向,一般有垂直於傳播方向的部分和平行於傳播方向的部分。重力波是時空變化的張量波,沒有單極和二極輻射,可以有四極輻射;其波動方向和傳播方向垂直,和電磁波一樣,也是橫波。

相對論與重力波
說起重力波,我們必須簡述一下廣義相對論的發展史。1859 年,法國天文學家勒維耶(Urbain Le Verrier )發現水星近日點的進動(precession)超出牛頓萬有引力計算行星擾動所預測的結果,進動的差異每百年有38 秒角幅度,這個異常打破了牛頓引力理論,最終引導出廣義相對論。1887 年,美德物理學家邁克生(Albert Michelson)和美國化學家莫立(Edward Morley)實驗發現光速不因地球運動的方向而變,打破了牛頓動力學的基礎,引出了狹義相對論。

愛因斯坦等效原理假設局部物理為狹義相對論物理(Local physics is special relativistic physics),宇宙中任何時刻、任何地點在局部慣性系下的物理方程式,均和勞侖茲慣性坐標下的物理方程式相同。此原理應用於計量學與計量標準(非人造)上,即為假設其普適性,計量學的普適性成立驗證了愛因斯坦等效原則。

讀者也許心中有個問題,如果如此那麼「什麼是引力(重力)呢?」答案是重力理論告訴我們這些局部物理是怎麼相接成大域物理的,重力加速度可以用等效原理化為等效的慣性力,真正的重力是一種潮汐力、或稱為引潮力(如在地球上若無引潮力,我們即難以觀察太陽和月亮的引力)。就好像二維局部歐式空間的不同連接可以構成球面或其它曲面;四維局部閔氏(勞侖茲)時空的不同連接可成為帶有重力的彎曲時空。

廣義相對論是一種萬有引力理論。在牛頓引力理論中,兩個物體所產生的引力是可以線性疊加的。在愛因斯坦廣義相對論中,兩個物體所產生的引力必須以非線性疊加,而且是增強的。一個結果是可以有黑洞解,即黑洞裡的粒子無法跑出其視界(horizon)。黑洞可以說是引力場中最簡單的解,僅有質量、角動量和電荷三種特性。

狹義相對論時空可用閔氏度規描述,廣義相對論時空是由局部閔氏度規連結而成,可用時空度規張量描述。時空的波動稱為重力波,可用時空度規張量的週期變化或頻譜描述。當重力波傳入探測器時,時空的週期變化引起探測器的反應,在共振探測器引起探測器應變的共振而探知,在雷射干涉儀引起兩反射鏡間距離之變化而探知。

......【更多內容請閱讀科學月刊第576期】

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