DDS044-「引力波（I）」

在我前文（DDS039）中，曾提及今年三月中旬時，以美國哈佛大學 John Kovac 教授為首，來自各大學和研究機構的科學團隊，針對我們所在宇宙的源起，又有一驚人的重大突破，也引起天文學界一片振奮，因為該團隊宣稱，他們利用位在南極的天文望遠鏡，已偵測到宇宙形成瞬間（即「大爆炸（Big Bang）」後的一兆分之一秒後），由「引力波（gravitational waves）」所造成的光波圖像（light-wave pattern）。論者認為，這項重大的科學成果，是繼 25 年前，首度證實宇宙持續在加速膨脹以來，最為重大的天文發現，也進而斷言，這項成果接下來若能被驗證屬實，就很有可能贏得今年度的諾貝爾物理學獎。

然而，該團隊這種大陣仗在媒體前的宣告（見下圖；今年 3 月 17 日，在哈佛大學 Harvard-Smithsonian 天文物理研究中心，召開的記者會現場，圖片中最右邊那位側著頭面帶微笑的就是 John Kovac 教授；credit：AP Photo/Elise Amendola），過去一個月來，也引起同行間的嚴厲挑戰，也陸續發表其他論證和相關實驗結果，對該團隊所用的方法，提出了高度的質疑。讀者千萬不要誤以為，這又是同儕相互競爭下的一種惡意攻訐，因為既然探究的是科學，還是要回歸到它的本質，那就是：任何在科學上的重大發現，必需要能經得起其他獨立研究結果的驗證，「科學不是你説了算，證據勝於一切」。目前看來，孰是孰非，最後的真相為何？相信到今年年底前，應該會有一個明確的答案（例如，比對來自「卜朗克（Planck）」天文望遠鏡的觀測結果）。其中轉折，容我在後文中（DDS045 和 DDS046）再向大家細說分明，目前暫時還是先回到，這項重大科學發現的具體內容來。

要了解此項重大科學突破的意義和重要性，就不得不從源頭説起。首先，我們知道，「愛因斯坦」1916 年在他的「廣義相對論」中，率先提出了「時空（spacetime）」這個概念：任何物體在此「時空」中，視其質量大小，均能引起不同程度的「時空」扭曲，而任何一個在時空中移動的物體，都能引起其周遭空間的壓縮（squeeze）或延展（stretch），同時並釋出一種「引力輻射的波（wave of gravitational radiation）」（即俗稱的「引力波（gravitational waves）」），把能量傳遞到周遭的空間。「引力波」指的就是在此「時空」中傳遞時，所形成的一種波紋，就如同你在池塘裡投入一顆石子，在水面上形成的漣漪（ripples）。

事實上，這「引力波」的是否存在，也是「廣義相對論」自提出以來，有待最後確證的現象之一。另方面來説，雖然「引力波」就如同聲波、光波，但是對於聲波和光波，我們可以利用不同的科學儀器，偵測到它們的存在（如波型、振幅、頻率和行進速率等等），但對「引力波」而言，因為它們本身非常的微弱，科學家們至今，受限於觀測儀器的極限，還是無法直接偵測到它們的存在，也成為近代物理學上極待突破和驗證的重要課題之一。即使如此，科學家們還是試著藉由其他許多觀測到的天體「異」象，來間接印證它的存在。例如，就以 1974 年觀測到兩脈衝星（binary pulsars；代號 PSR B1913+16）的繞行軌道而言，科學家們預測，兩者的總能量會因部分被轉換成「引力波」，使得原本的繞行軌道變得愈來愈小，實際觀測此「脈衝星」繞行軌道的改變，科學家們發現所得結果和預期的完全吻合，也因而間接證實了「引力波」的存在。這項頂級的天文觀測和精準印證了「引力波」存在的研究，也替兩位著名的天文學家 Russell Hulse 和 Joseph Taylor 贏得了 1993 的「諾貝爾物理學獎」。

〔註：當然，要能真正直接測得「引力波」，還是得有賴目前正在進行的一項利用「Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory；簡稱 LIGO」雷射干涉計的觀測。其原理是精確測量雷射光束，在相距 4 公里的兩鏡面間，行進速度的改變，因為，若此時有「引力波」穿越過此雷射光束的行進途徑，它會引起時空的些微扭曲，進而也使得雷射光束行進的路徑略微偏移，藉由仔細測量雷射光束往返時間的改變，科學家們希望藉由這些測量結果，在不久的將來，能直接而具體的證實「引力波」的存在，讓我們就摒息以待。〕

此外，依據「相對論」的進一步演繹，當宇宙中有任何巨大的碰撞或爆炸事件發生時，例如兩個「黑洞（Black Hole）」或「銀河系（Galaxy）」碰撞在一起，或宇宙窄始時的「大爆炸（Big Bang）」，它們所產生的巨大能量，即能在「時空」中造成「引力波」。下圖（credit: Karl Tate, Infographics Artist； from: http://www.space.com/25078-universe-inflation-gravitational-waves-discovery.html?cmpid=556786 ）即是有關「引力波」的簡扼說明。注意圖中最上方，即是兩個共伴環繞的「黑洞」，所產生「引力波」的示意圖，而最下方圖所示的「宇宙微波背景圖」，即是受此「引力波」干擾後，所顯現的特殊捲曲圖像。（待續）