重力波

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每次當我舉目四望，

唯獨時間堅持去向。

迪生2016

最近幾個禮拜（2016年2月中、下旬），天文物理學界獲得了一個劃時代性的進展，那就是第一次偵測到「重力波」。 打個比方：這就好像一個天生只能看、不能聽的人，忽然間取得了聽覺一樣，是一個嶄新時代的開始。  這次天文物理學家「聽」到的，是兩個黑洞相遇結合時，所產生的重力波。

         相信不少朋友聽過「時與空四度空間」這個概念，也就是平常的「三度空間」，再加上時間。這個術語的原文是：「spacetime」，「space 」和「time」之間並沒有隔開，和口語裡面的「時空」，有物理哲學程度上的差別。 愛因斯坦的「廣義相對論」裡面的核心概念之一，是『重力場相當於「時與空四度空間」的變形』。 推廣開來，「重力波」也就是這種變形在宇宙間的動態傳播。 這其實是相當抽象的觀念，對非理工科的朋友來說，可能會不容易體會。所以我一直在猶豫：要不要和大家分享這則寶貴的新聞。不過，我也一直沒有放棄這份分享的挑戰。後來終於想到「用地震波來作對照」這個點子，並繪成插圖來幫助說明。

 

在插圖的上半部，是地震波從腳下經過時候的情況。而插圖的下半部，則是重力波穿越你所存在的時空的情況。簡而言之：地震波從腳下經過時，物體會在原來的時空裡面，被上、下、左、右拋動。但是當重力波穿越時，則是整個「時空四度空間」在變形。當然在這張插圖裡面，我把變形的幅度誇大了很多，以方便表達概念。

過去人類一直觀察不到重力波的原因，是重力波的振幅實在是太小了，需要超級精確靈敏的儀器才能偵測得到。像這一次偵測到的重力波在經過地球時所引起的「時空四度空間」的變形只有（十的二十一次方）分之一，也就是說：每單位的「時空四度空間」，會產生 1/1000…..…000單位的變形。驚人的是：這個比例在分母有21個零，居然也終於在天文學界長年的努力之下被偵測到了！

           為什麼能夠偵測到「重力波」是一件大事呢？宇宙的基本作用力有四種：強作用力、弱作用力、電磁力、和重力。 其中強作用力弱作用力的作用範圍很短，只有在原子核那麼小的空間裡面，才會遇到它們。 所以中、長距離的作用力，只有電磁力和重力。 可是在此之前，人類對於重力，只能偵測到靜態的現象，而嚴重缺乏對其動態行為的瞭解。因此科學家對宇宙本質的瞭解，絕大多數是來自對電磁波的研究觀察。在兩大支柱缺一的情況下，科學家對宇宙的本質很難獲得全盤性的瞭解。例如說：宇宙從混沌初開到第三十八萬年左右的那段期間，由於宇宙本身的離子狀態，使得電磁波無法在宇宙間傳播，所以它們並沒有留下痕跡來讓今天的科學家去觀察研究。因而科學家對那段期間宇宙發展過程的認定，必須倚靠理論性的推導。（像附圖裡面所列的從 「Plank Epoch」 到 「Grand Unification Epoch」、到 「Electroweak Epoch」、再到 「Quark Epoch」 這樣的快速演化，其實大部分是基於理論性的推測。） 但是重力波在那段期間的大部分，並沒有無法傳播的限制，所以人類一旦能夠偵測觀察那些古老的重力波，就有機會實際探索那段宇宙混沌初開的最初三十八萬年了。

 

我去查閱發表這一個劃時代性的進展的原始論文時，看到了兩則有趣的花絮，可以和朋友們分享：

（一）           通常一篇學術論文的作者數目，大都是從1到20，超過20的已經不多見了。但是這一篇原始論文的掛名作者，卻超過一千位。

 

（二）           這次偵測到重力波的，主要是美國政府資助的 LIGO計劃。但是論文掛名的一千多位作者，卻遍及幾十個國家，其中有五位來自台灣的清華大學。

 

這個超多數作者的現象，可能是主稿作者們一種「學術成就全人類共享」的崇高風範。如果是的話，會令我衷心地敬佩和喜悅。