2017諾貝爾物理學獎

2017年諾貝爾物理學獎授予美國物理學家雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish），以表彰他們因構思和設計激光干涉儀引力波天文台 LIGO，對直接探測引力波做出傑出貢獻，榮獲2017年諾貝爾物理學獎。

13億年前，有兩顆質量分別為29和36個太陽質量的「黑洞」在宇宙深空處不期而遇，它們相互旋繞，慢慢靠近，最終合併成一個62個太陽質量的黑洞。

在不到一秒的時間裡，這次的合併將大約3倍的太陽質量轉換成了「引力波」向外輻射，其峰值功率要比可觀測宇宙中所有恆星釋放出來的能量之和還高上幾十倍！

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在宇宙深空處，兩顆黑洞不期而遇。|圖片來源： The SXS project

那個時候，雖然生命早已在地球上萌發孕育，但「黑洞」和「引力波」還只是屬於宇宙能夠讀懂的語言。

在接下來的漫長歲月中，由於暗能量的作用，宇宙不斷地在加速膨脹著。而地球則陸續地經歷了成冰紀時期、寒武紀大爆發、陸生植物的生長、三疊紀滅絕事件、統治中生代的恐龍的毀滅、查德沙赫人的出現，第一批人類大舉離開非洲、霍比特人的消失、文字的發明……

在最近的幾千年中，人類的思維不僅僅只停留在自己眼前的這片土地，每當他們抬頭仰望星空時，心中便充滿了敬畏、好奇和困惑。之後，在這個藍色星球上出現了許多宇宙探索者，托勒密、第谷、開普勒、哥白尼、伽利略、卡西尼、惠更斯、牛頓、哈雷….. 他們觀測、總結、推導，一次又一次的揭開宇宙的神秘面紗。

但是，13億年前輻射出的「引力波」，依舊孤寂地在廣漠的空間中以光速傳播著。沒有人知道它的存在。

直到1879年，一個小孩在德國烏爾姆的一戶尋常人家裡出生了，誰也料想不到，物理學的進程將被他徹底改寫。對，他就是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）。

年輕時候的愛因斯坦。

他發現了光電效應，解釋了布朗運動，提出了狹義相對論，寫下了E=mc2。那年他才26歲，一個專利局的職員，卻撼動了整個物理學界。1905年，被稱為愛因斯坦的奇蹟年。但他並沒有因此而得意洋洋，而是繼續探索更加艱深的難題。

十年後，愛因斯坦的成就達到了巔峰，他發表了廣義相對論，徹底地改寫了牛頓的引力理論，將引力、彎曲的時空、物質和能量聯繫在一起。1916年，在廣義相對論發表不久後，卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）第一個找到了愛因斯坦場方程的一個解，在理論上預言了「黑洞」的可能性。「黑洞」像是宇宙中的一頭引力怪獸，甚至連光一旦落入都無法逃脫。但那時並沒有人相信「黑洞」這樣的天體存在於宇宙之中，

圖一：事件視界（Event Horizon）被認為是有去無回的點，它所包圍的球體半徑被稱為史瓦西半徑（Schwarzchild radius）。公式中G是萬有引力常數，c是光速，M是質量。如果把太陽的質量代入公式就會得到史瓦西半徑為3公里。|圖片來源：Sunshine Lighthouse

同樣是在1916年，愛因斯坦在廣義相對論的場方程中找到了波的解，從而預言了引力波的存在！從此，引力波也屬於人類的語言。引力波經常形象的被稱為時空的「漣漪」，就如同石頭被丟進水裡產生的波紋一樣。而它的本質其實是時空曲率的波動。

愛因斯坦在1916年發表的論文中預言了引力波的存在。|圖片來源： A. Einstein

設想一下，在遙遠的深空中，如果有緻密的星體碰撞合併，在過程中就會對周圍的時空產生劇烈擾動，扭曲時空的波動會以光速向外傳播出去。這便是發生在13億年前的那次「黑洞」合併事件。但即使這些波動能夠抵達地球，也將是非常非常微弱的，以至於愛因斯坦自己都認為引力波不可能被實驗儀器所探測到。

愛因斯坦並不認為我們可以探測到引力波，因為引力波實在是太微弱了。多微弱？我們來看一個簡單的公式，引力波的強度由無量綱量h表示，代表了引力波引起的時空扭曲和平直時空度規之比。h也被稱為應變，它定義為：

公式中的M代表黑洞的質量，r代表距離，如果我們把一些相關的數字代進去就會得到一個極小的應變：10-21！儘管在黑洞合併時釋放出的引力波強度是如此之大，但是經過十幾億年的傳播，當它抵達地球時，造成的空間畸變不超過10-14米。

到了1930年代，錢德拉塞卡、托爾曼、奧本海默和沃克爾夫認為，如果有大量的物質聚集在一起，它們最終將不可避免地坍縮成為「黑洞」。愛因斯坦本人對「黑洞」的存在一直都持懷疑的態度。但他對引力波和「黑洞」的存疑並沒有阻止其他人的研究熱情。

到了1950年代，物理學家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）邁出了第一步，他認為直接探測引力波並非是遙不可及的夢想。他的最終設計被稱為共振棒探測器，由一個長度兩米的圓柱形鋁棒組成。當引力波經過探測器時，鋁棒的兩端會交錯地收縮和拉伸，如果引力波的頻率和鋁棒設計的頻率一致，鋁棒會發生共振。但韋伯的設計有一個嚴重的局限性：共振棒太短了，只有兩米。例如，強度10-21的引力波在這個長度上的應變數（2×10-21米）實在太小，要探測到如此小的長度變化在那個時代簡直是天方夜譚。韋伯雖然沒有探測到引力波，但卻引領了潮流，使更多的人加入到探測引力波的隊伍。

1960年代，發生了很多激動人心的事情。來自紐西蘭的物理學家羅伊·克爾（Roy Kerr）找到了一個能用來描述旋轉「黑洞」的更廣義的史瓦西度規，它描述了坍縮恆星的最終態——它們總是具有非零的角動量。 在天文學領域，有著名的四大發現：微波背景輻射、類星體、星際分子和脈衝星。其中脈衝星是一種旋轉的中子星，會發出周期性的射電信號。1967年，發現脈衝星的同年，約翰·惠勒（John Wheeler）在紐約的一次講座中，正式提出了黑洞一詞，一下子使黑洞成為了科學家、科幻家、媒體最喜歡的概念。在黑洞的研究熱潮中，年輕的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）強勢加入。

1970年代，對黑洞的研究熱情進入了狂熱時代，無論是在理論或觀測上都有著許多實質性的突破。例如，霍金提出了面積定理，即如果有兩個黑洞合併，其總的視界面積是不可能減少的。面積定理的一個重要的結果是，合併黑洞輻射出的引力波的能量有一個上限。同時，霍金利用量子力學研究了黑洞鄰近的粒子行為後宣布黑洞具有溫度，就像所有具有溫度的物體一樣，黑洞也能產生輻射！這種現象被稱為霍金輻射。自此，霍金將引力、量子力學和熱力學聯繫在了一起。

一顆脈衝星圍繞著它的伴星。|圖片來源：ESO/L.Calcada

除了黑洞的研究外，在1974年的時候，美國物理學家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）發現了兩個中子星組成的互相旋繞的雙星系統。其中一顆是脈衝星，利用它精確的周期性脈衝信號，他們計算出了該雙星系統繞其質心公轉時它們的軌道半長軸以及周期。由於引力波會帶走能量，所以軌道半徑和周期也會變短，理論和觀測精確的符合了，從而間接地證實了引力波的存在。泰勒和赫爾斯也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。但問題是，我們還沒有直接地探測到引力波。

另一方面，曾經為愛而輟學的雷納·韋斯（Rainer Weiss）回到了麻省理工，並在70年代開始著手設計引力波探測器。他在偶然中發現了韋伯的工作，但他並沒有跟韋伯做一樣的實驗，而是有了一個更妙的想法：利用一個叫做干涉儀的 L 型儀器來探測引力波。這個設備可以分離激光束，把兩束激光往相互垂直的探測器臂傳播。光束會在臂的末端反射回來。

如果兩臂的長度完全一樣，那麼激光通過的路程就會完全相同，因此他們再次相遇時就會彼此相消。但是如果引力波穿過時，韋斯相信探測器臂會被拉伸，那麼兩束光經過的路程不再相同，它們再次相遇時就不會完全相消，而是在探測器出產生一個信號。科學家的目的就是探測這一信號。

LIGO的實驗裝置。

雖然利用干涉儀探測引力波的想法在那個時候已經有所流傳，但是韋斯是第一個意識到我們需要的是一個巨大的干涉儀，兩個探測器臂的長度至少需要2英里長。他也是第一個提出如何處理其它來源的雜訊，以免這些雜訊淹沒了引力波的信號。

在韋斯設計引力波探測器的生涯中，跟另外兩位物理學家合作緊密，他們分別是羅納德·德雷弗（Ronald Drever）和基普·索恩（Kip Thorne）。在韋斯發展探測器的同時，索恩則開始和德雷弗共事，德雷弗在蘇格蘭的格拉斯哥開始建立了自己的探測器原型。德雷弗最終搬去加州理工，與韋斯、索恩形成了三巨頭，共同克服了許多技術上的難題。最終的設計結果便是今天我們所知道的激光干涉引力波天文台（LIGO）。1994年，巴里·巴里什（Barry Barish）開始擔任LIGO的項目主管，將一個只有40人的小團隊轉化成了涉及眾多成員並且依賴大規模設備的大科學，最終使引力波探測成為可能。

LIGO是一個L型的探測器，兩個互相垂直的長臂，長為4000米。其工作原理是將一束激光被分成兩束，並沿著兩臂傳播。在兩臂的末端設有反射器鏡，激光遇到反射鏡後返回到分束器。我們看到當兩束激光返回分束器的時候，光的波長是相等的，兩束光相遇時發生干涉，並完全抵消，也就是相消干涉。所以，我們可以預期在實驗裝置中的光子探測器不會看到任何的光。但是，如果這個時候引力波出現，那情況就完全不同了。引力波會使時空扭曲，這就意味著，兩臂的長度將受到影響，一個臂會輕微長於另一個臂。有節奏的對兩臂拉升和擠壓會持續到引力波完全通過。如果兩臂不再等長，當激光返回分光束並進行干涉的時候它們不再完全相消。那麼光子探測器就會記錄到干涉圖樣。但是這樣的變化是非常小的，這也正是為何引力波如此難以被探測到。

在1990年代，世界各地都開始興建大型激光干涉儀引力波探測器，美國、義大利、德國、日本紛紛加入探測引力波的行列。

步入千禧年以來，所有的探測器共同進行了十年多的觀測，但一無所獲。之後，位於美國Livingston臂長為4千米的LIGO（L1）和Hanford臂長為的 4 千米的 LIGO（H1）經歷了幾年的重大改造和升級，大幅提升了靈敏度，並於2015年重新投入觀測。

兩顆彼此旋轉黑洞的時候輻射出了引力波。在合併成為單一黑洞之前，它們越靠越近。隨後，引力波達到了一個最高點，對於距它們13億光年遠的我們來說，聽起來就像宇宙的啾鳴聲戛然而止。|圖片來源：Nobelprize

2015年9月14日，命中注定的相遇終於到來。發生在13億年前的雙黑洞合併輻射出的引力波，在經歷了如此漫長的歲月後，率先抵達到L1，7毫秒後到達H1。這次的事件被稱為GW150914（GW代表引力波，後面數字代表年月日），顯著性高達5.1倍標準差。這是歷史性的一刻！凝聚了幾代人的心血終於得以回報。

如何才能捕獲到引力波。人類第一次捕捉到的引力波是從兩顆距離地球13億光年的黑洞之間的暴力衝撞中得到的，距離13億光年。 13億年後，當碰撞產生的波經過地球時強度已經大大減弱：LIGO所探測到的時空中的漣漪甚至比原子核還要小上幾千倍。|圖片來源：Nobelprize

引力波是廣義相對論實驗驗證中缺失的最後一塊「拼圖」。100年後，愛因斯坦的理論再次被完美地驗證了：引力波的確存在！它的發現也證明了時空是動態的不再只是停留在理論層面。但這僅僅只是一個開始，引力波開啟了一個全新的天文時代，在不依賴天文望遠鏡的情況下，我們可以觀測黑洞、中子星，以及宇宙中另外一些不可見的物體。它為人類探索宇宙打開了一扇新窗口。

LIGO由兩個巨大的相同的干涉儀組成。引力波首先擊中的是位於利文斯頓（Livingston）的干涉儀，然後再7毫秒之後，經過位於3000公里之外的漢福德（Hanford）的另一個干涉儀。兩個信號幾乎完全相同，並且與對引力波信號的預測十分匹配。使用這些信號，南部天空中的一個區域也可以被確認為發出引力波的區域。|圖片來源：Nobelprize

如果有人懷疑此次數據的可靠性，那麼2015年12月26日，LIGO再一次觀測到了一對黑洞合併產生的引力波信號足以打消大多數人的疑慮。這次的事件（GW151226）被LIGO的研究人員親切的稱為「來自愛因斯坦的聖誕禮物」。GW151226由兩個質量分別為14.2和7.5倍太陽質量的黑洞合併產生。此次的發現或許暗示著宇宙中恆星質量雙黑洞系統的數量要比我們想像的更多。

上圖顯示的是LIGO第一個完整的觀測季節（2015年9月12日 - 2016年1月19日）。我們可以看到LIGO探測到三個引力波事件：兩次確認事件：GW150914和GW151226，以及2015年10月發現的一次疑似引力波事件LVT151012。之所以是疑似事件，是因為該事件的發生地點離我們太遠，所以信噪比相對弱，顯著比只有1.7倍標準差（5倍標準差才可以確定是科學發現）。|圖片來源：LIGO

2017年5月31日，LIGO團隊召開了一次秘密的電話會議，宣布升級後的LIGO（aLIGO）再一次探測到了雙黑洞合併輻射出的引力波事件：GW170104。之所以選擇電話會議，表明了引力波探測事件的日常化，隨著探測器靈敏度不斷提升，未來將會觀測到更多類似的事件。此次發現最大的驚喜在於最終合併黑洞的質量為49個太陽質量。過去，我們認為宇宙中很難產生高於20個太陽質量的黑洞，然而這次的發現再次確認了高質量黑洞的存在。此外，通過此次引力波事件，科學家不僅對黑洞的自轉做出了限制，也幫助我們對雙黑洞的形成機製做出了限制。

幾次引力波在天空中的信號源。從圖中可以發現GW170814在天空中的位置範圍要遠遠小過其它更早前的事件。|圖片來源：LIGO/Virgo

雖然LIGO成功地的探測到三次確鑿的引力波事件，但我們目前對引力波的定位能力還是很差。幸運的是，2017年升級後的室女座引力波天文台Virgo（位於義大利）也加入了探測的行列。2017年8月14日，一個短暫的引力波信號（GW170814）被升級後的LIGO和Virgo記錄到。這是首次由三台探測器合作探測到的確鑿引力波信號。其亮點在於通過三點定位原理觀測引力波的方波要比以往在精度上提升10倍，有助於更好的定位信號的來源。

引力波探測到的黑洞（藍色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對比圖，引力波探測到的黑洞質量都是比較大的。|圖片來源：LIGO/Virgo

這些探測器已經四次成功地探測到我們宇宙的震動，還有更多的發現值得被期待。印度和日本現在也在建造新的引力波探測器。通過幾個所處位置相距甚遠的實驗，研究員應能更精確地識別這些信號都來自哪裡。然後可以通過使用光學望遠鏡、X射線望遠鏡或各種其他類型的望遠鏡來研究觀察到的引力波。

目前為止，所有的電磁輻射和粒子，比如宇宙射線或中微子，已經給我們提供了許多關於宇宙的知識。然而，引力波是證明時空自身的漣漪的最直接證據。這為我們揭露的是一個全新也全然不同的未知世界。還有更多的發現正等待著那些已經成功捕獲引力波，並努力破解它們所含的信息的人。

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