重力波：愛因斯坦的最後預言 (上)

愛因斯坦在 1916 年正式發表廣義相對論，至今剛好 100 週年。廣義相對論徹底推翻牛頓重力理論，把重力和加速度統一。當時空被物質或能量所扭曲，就會產生所謂的重力。重力原來非「力」，而是時空結構和質能互動的結果。

廣義相對論與量子力學成為現代物理學的兩大支柱。這兩個理論各自描述宏觀和微觀的世界，其預測亦被越來越精確的實驗逐一驗證。愛因斯坦的廣義相對論預言的時空扭曲效應，例如重力透鏡、宇宙膨脹、黑洞等等，都已經被天文觀測所證實。

在 100 年後的今天，美國的激光干涉重力波天文台 (LIGO) 將舉行記者會，發表愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言–重力波 (gravitational wave) –的直接證據。

廣義相對論說，時空會被非常重的物質扭曲。想像時空是一張彈床的表面，上面放一個網球和一個保齡球。保齡球比較重，所以彈床表面會被保齡球壓得比較深。把網球滾向保齡球附近，網球就會沿著保齡球附近被扭曲的彈床表面公轉，看上去彷彿網球被保齡球的一道無形的「力」給拉了過去。這就是重力的表現。

Screen Shot 2016-02-11 at 01.00.23 — 兩個極高質量天體互相環繞重心公轉，在時空結構之中形成波浪。Credit: LIGO Lab

如果有兩個保齡球在彈床上呢？這樣的話，兩個保齡球就會互相圍繞其重心公轉。彈床表面就會因為兩個保齡球循環施壓而形成向外擴散的彈床波浪。說回重力，當兩個極高質量的天體 — 通常是中子星或黑洞 — 互相圍繞公轉，時空就會被它們的重力循環拉扯而形成向外擴散的波浪。這個重力的波浪，就叫做重力波。

直接探測重力波非常困難，即使極高質量的天體，其所造成的重力波波幅仍然非常小。位於路易斯安那州和華盛頓州的兩個 LIGO 重力波探測器，使用中學物理都會學到的簡單光干涉原理，把兩束互相垂直的激光各自沿著 4 公里長的隧道發射，在隧道盡頭用鏡反射回起點重新結合，形成干涉圖像。

ligo-hanford-aerial-02 — 華盛頓洲的 LIGO 重力波探測器，可見其兩條互相垂直、各長 4 公里的激光隧道。Credit: LIGO Lab

如果重力波經過地球，因為互相垂直的方向的時空扭曲程度不相同，兩束激光所走過的距離就會有所不同，干涉圖像就會改變。LIGO 在 2015 年 9 月升級完成成為 Advanced LIGO (aLIGO) 之後，能夠探測大約 10^-22到 10^-23的距離變化，大約等於萬分之一個質子大小。經過計算，此極其細小的距離變化與宇宙中最強烈的重力波源 — 黑洞雙星系統或中子星雙星系統 — 發出的重力波強度吻合，因此科學家預期 aLIGO 將能首次直接探測重力波，證實它的存在。

在今天 LIGO 的記者會，我們將有望親眼看到愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言被證實。雖然我已得知部分內容，但由於保密協定，我不能在這篇文章寫關於今次觀測的內容，留待於今天記者會稍後上載的第二篇文章《重力波：愛因斯坦的最後預言 (中)》之中解釋。敬請期待！