重力波：2016年邵逸夫天文學奬

隨著今年2月11日美國激光干涉重力波天文台 (LIGO) 公布人類首次直接探測到重力波之後，其理論和實驗的先驅研究者羅奈爾特・德雷弗 (Ronald Drever)、基普・索恩 (Kip Throne) 以及雷納・韋斯 (Rainer Weiss) 在5月11日得到了邵逸夫天文學奬。

screen-shot-2016-10-04-at-15-56-48 — 三位得奬者的邵逸夫奬官方照片。

第一次直接探測重力波在廿一世紀的今天的意義，就好比在十七世紀時伽利略首次用望遠鏡看夜空一樣。電磁力與重力都是已知四種基本力的兩種。可是，對比於人類自演化以來已經非常熟悉的重力，人類觀察宇宙的手段卻一直局限於電磁波，也即是光。就連在1933年才首次被費米提出的弱力，也已經早被天體粒子物理學家利用來觀察宇宙的微中子了。

為什麼重力波一直未能被應用於天文觀測？原因非常簡單：因為重力實在太弱了。在原子的尺度裡，重力比弱力足足弱了29個數量級，即是小數點後跟了28個0。LIGO在2015年升級為Advanced LIGO之前，地球上跟本沒有一個儀器能夠探測到來自宇宙深處最強的重力波。

究竟什麼是重力波？我們需要簡單介紹一下愛因斯坦在 1916 年發表的廣義相對論。廣義相對論徹底推翻牛頓重力理論，把重力由牛頓時代一直被認為是一種不需要時間傳遞的超距力，以複雜但極其優美的數學重新描述為時間和空間的漣漪。換句話說，重力需要時間傳遞。廣義相對論說時空能夠被物質或能量所扭曲，因此時空原來一直都積極參與物理世界的演變，而非一成不變的背景舞台。

我們來看看時空被物質扭曲的情況。想像時空是一張彈床的表面，如果上面有兩個重量相當的保齡球，它們就會互相圍繞轉動。就好像在水中用兩隻手指互繞轉動形成向外擴散的波浪般，彈床表面亦會形成波浪。說回重力，當兩個黑洞互相圍繞公轉，時空亦會因它們對時空施加的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。

Screen Shot 2016-02-11 at 01.00.23 — 兩個極高質量天體互相環繞運轉，在時空中產生漣漪。Credit: LIGO Lab

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，都已經一一被天文觀測所證實。重力波這個最後的廣義相對論預言，在2016年，即愛因斯坦發表廣義相對論100週年被證實，也可說是一個美麗的巧合。

我們知道，每一個科學家在發現的過程中，都是站在許許多多巨人的肩上的。重力波的發現亦不例外。人類終於能夠以重力去觀察宇宙，歷代數不清的科學家、工程師和技術員，全部都功不可沒。或許，就如費曼說過，科學家在研究的過程中已經得到來自大自然最大的奬勵，就是發現的樂趣。無論如何，讓我們在恭賀得奬者的同時，也感謝所有為探測重力波貢獻過的人。

封面圖片：NASA 的重力波模擬圖。