星空微講壇：遙遠宇宙的漣漪——引力波 二

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遙遠宇宙的漣漪——引力波（二）

主講丨孫維新教授/館長

配圖丨網路

牛頓是個非常偉大的科學家，毋庸置疑。牛頓在那個年代依據所觀察到的星空、做出的實驗得出這樣的理論推斷——「空間是三維正交，而時間是獨立於空間之外的」，換成白話文就是「空間是空間，時間是時間，空間是平直的」。「空間是平直的」又是個怎樣的一個想像概念呢？

我們大致可以把空間想成一個均勻分布的網狀結構，很平直、很平整，這是牛頓的觀察與想像，也是當時和現在的人們所以為的基礎概念。但後來有另外一個人出現了，這個人出現了以後就把這個概念翻天覆地的改變了。那這位科學家到底是誰呢？我相信大家都能猜得出來，他就是愛因斯坦。

愛因斯坦在1905年首先提出了「狹義相對論」，又稱「特殊相對論」，十年之後在1915年提出了「廣義相對論」，又叫「一般相對論」。關於特殊相對論，愛因斯坦說：「當你以接近光速的速度高速運動時，你整個世界看起來是不一樣的。」十年之後的廣義相對論，他就開始認真地處理時空的問題了，他說：「星體擺在那邊會因為時空扭曲，連星光都會扭曲。」愛因斯坦在1915年就講了這些話，那個年代誰懂他的偉大理論呢？當時他提出的相對論讓大家都大惑不解，所以才會有下面這個笑話出現。

什麼樣的笑話呢？當年整個宇宙亂七八糟，大家不能理解，於是上帝看不下去了，就說：「讓牛頓出生吧！」牛頓出生後，整個宇宙就在牛頓的定律下規律而有典範地運行了。而魔鬼又看不下去了，就說：「讓愛因斯坦出生吧！」於是宇宙又恢復了混亂。這是當年的一個笑話，弄不懂相對論的人只能拿愛因斯坦開刀了，說他的相對論只會製造混亂。

而我們想知道愛因斯坦的相對論說的到底是什麼？對愛因斯坦來講，他清楚地知道三維的空間與一維的時間結合在一起，不僅結合在一起，而且這個時空分布在宇宙裡面，但正常的、平直的時空分布只要有質量存在，像是地球、月亮、太陽等，只要有相當的質量存在，四周的時空就會受到扭曲。

最常看到的例子是什麼？就好像當你在一個彈簧床上，當你把一個比較重的東西擺上去，就總會壓出一個凹陷來，這個凹陷就代表著周圍時空的扭曲。在扭曲的時空里，如果旁邊有東西要繞著你轉，就只能按照時空的扭曲來轉了。

就像月亮繞著地球轉，就是按照地球創造出來的「時空曲率」在運行。而月球繞著地球轉的這件事情，當年牛頓說是因為地球對月球有萬有引力，所以地球拉著月球繞著轉，但愛因斯坦卻說不是，是因為地球本身的存在造成了它旁邊的時空出現了扭曲的現象，而月球沒有別的選擇，只能沿著這個扭曲的曲率繞著地球轉。

我在台大上課的時候常常問學生一個問題：當年偉大的科學家牛頓他到底是「發現」了萬有引力還是「發明」了萬有引力？這個問題問出來會有90%的人都會認為是「發現」了萬有引力，因為萬有引力本身存在，是牛頓發現的……對嗎？我想跟大家說什麼叫做「發現」？「發現」就是有一天你走到了上海科技館或其它地方，發現了孫教授正在那邊做線下演講，您看到好多熱愛科學的親子家庭和孫教授在演講廳里研究有趣的科學、探索自然的奧秘，這個叫做「發現」。

而「發明」呢？「發明」是提出了一個理論說法來解釋看到的現象。牛頓當年就是提出了萬有引力的說法來解釋蘋果落到地面上的現象，也解釋月球繞著地球轉的現象。而今天牛頓這個萬有引力的理論到底正確與否？我們仔細來說。

您可以想像萬有引力當年剛出來的時候，大家奉為金科玉律，牛頓所出版的《自然哲學的數學原理》這本書在歷史上是有名偉大的書，在這本書里，牛頓把萬有引力的關係剖析的一清二楚，宇宙裡面任何兩個天體彼此之間互相吸引、互相纏繞都在這本書里有清楚的描述。而什麼叫做「自然哲學」？換成今天的說法其實就是「物理學」。這本書描述了萬有引力的數學公式，但其實這個概念已經落伍了，已經被「場」與「時空曲率」的概念取代，那是怎麼取代的呢？

我們再舉個例子，大家看到這張世界地圖了嗎？有兩個小朋友小明與小華，他們都喜歡划船冒險，小明從上海出發往南劃，小華從夏威夷出發往南劃，兩人都是划船往正南方劃。各位，到最後會怎麼樣？兩個人都划到了南極，在南極見面了！小明與小華在汪洋大海里，看到的地球是平的，因為海洋太廣大，但他們之間拿手機聯繫時卻發現兩個人越來越近，可是他們從頭到尾在海上划船不知道地球是彎的，只看得到平直的大海，但是卻發現兩個人越來越近。所以他們會直覺地認為兩人之間有萬有引力。各位，今天您是一個旁觀者，您說到底是不是這樣呢？如果今天在地球以外，觀察兩個人划船的現象，就會知道根本沒有萬有引力，而是地球曲率造成的結果。地球曲率造成了他們兩個人往南划船最後在南極碰面，原本的解釋是萬有引力，但當一個客觀的旁觀者站在旁觀的角度時，就會知道兩個人就是因為地球的曲率上面運行，然後碰在一起。

所以我們把這個地球曲率拉出來作為時空曲率，因為地球的存在造成了周遭時空的扭曲，月球也只能按照這個曲率照章運行。地球可以造成這麼大的影響嗎？當然，地球的質量也不小，可是跟太陽比起來就是小巫見大巫了。1915年當愛因斯坦提出廣義相對論的時候，他就說過「太陽的存在會把周遭的時空扭曲得更厲害」，這個結果就是遠方在太陽背後的星星，它的星光經過了太陽被時空曲率影響後繞個彎過來地球上竟然看得到！

各位，您相信嗎？地球可以看得到太陽背後本來看不到的星星。這是愛因斯坦提出來的一個非常重要的預測，如果廣義相對論是對的，人們在地球上竟然可以看到太陽背後的星星。

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