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天下文化首頁 主題 什麼是LIGO?為什麼他們可以得諾貝爾獎?
科學自然

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2017.10.06
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完美的理論
愛因斯坦在1915年11月25日發表廣義相對論,震撼全球,扭轉了這一百年來科學技術的發展走向,引領人...
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什麼是LIGO?為什麼他們可以得諾貝爾獎?


當數值相對論學者不斷揮拳而打不中目標的同時,建造一部有效率的重力波偵測儀的計畫也在進行著。這一次,不應該再有超過儀器靈敏度範圍的假發現,韋伯的時代已經過去了。雷射干涉儀是物理學家的首選做法,但是這儀器有很嚴格的使用要求。雷射光必須走夠長的距離,以至於兩塊重物因受到重力波而發生的微小偏移能透過干涉圖案被發現。即使是使用數公里長的雷射干涉儀,雷射光都必須在固定於重物上的鏡子間來回反射,超過一百次。這些鏡子必須非常完美而且方向調整到完全一致。然而就算是這樣,偏移的現象還是非常微小。從軌道逐漸變小的雙星而來的一陣重力波,只會導致不及一個質子寬度的偏移。

一部能真正偵測到來自外太空的重力波的雷射干涉儀,幾乎不可能被建造出來。這樣的儀器要能真正運作,雷射光就必須行走數公里的距離,而且發生不到一個原子寬度的偏移。這樣的裝置必須像是懸浮在空中一樣,以免受到日常生活中周遭噪音的干擾 ,而且它必須配合完美的鏡子及最先進的訊號處理機制,才能偵測到那些難以被觀測到的偏移。這儀器還要有辦法將其他因素所產生的偏移區別開來,例如,地球的潮汐(它會讓物體產生幾分之一毫米的偏移)、遠處高速公路上卡車所產生的隆隆聲,以及整個實驗的電子設備本身的振動等等所產生的影響。

在每一方面它都必須是完美的,但如此一來它就要變得非常大。在雷射干涉儀開始慢慢成為重力波領域的主流時,事情變得很清楚,它們的大小及造價會大大限制我們所能建造的雷射干涉儀的數目。在歐洲,英國與德國合作建造了一個名為GEO600的雷射干涉儀,它的臂長大約六百公尺,基地位在德國薩爾斯特(Sarstedt)附近。一個比它大得多、名為Virgo(根據內含超過一千個星系的星團處女座而命名)的雷射干涉儀,臂長達三公里,是由法國與義大利一起構思,建造在義大利的卡西那(Cascina)。在日本,一個較小的雷射干涉儀TAMA,臂長為300公尺。

重力波雷射干涉儀的典範是LIGO(the Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory,雷射干涉儀重力波觀測站)。它最初是由兩位實驗物理學家,MIT的魏斯(Rainer Weiss)和加州理工學院的德瑞弗(Ronald Drever),以及理論物理學家索恩所領導。建造LIGO的想法始於1970年代初期,但它的誕生非常困難、不順利。

在建造完成之後,它將是遠比其他雷射干涉儀都大的一部干涉儀。事實上,它不是一部而是兩部雷射干涉儀,一部位於華盛頓州的漢弗德(Harford),另一部位於路易斯安那州的李文斯敦(Livingston)。因為這兩部偵測器相距甚遠,LIGO可以把來自區域雜訊、地震或交通的訊號排除。如果LIGO可以和其他偵測儀(比方說GEO600)合作,它很有機會可以鎖定重力波來源的方向,因而成為真正的觀測站,一台名符其實的望遠鏡。

那時候還沒有人準確知道他們該預期偵測到什麼訊號,或者,這樣的儀器到底夠不夠敏感。LIGO必須要分兩個步驟來建造。首先,他們需要先建造一部「概念驗證機」(proof of concept),這是一部須依照相對論學者及實驗學家想要的運作模式來運作的巨大原型機。這個過程預計要花十年以上的時間。只有在經過這個階段後,LIGO才能升級並且開始搜尋有意思的東西。

這個計畫要花費很長的時間,但是如果LIGO真的能看到重力波,那麼其回報將會非常驚人。它們的偵測將讓我們可以用一個嶄新的方式,而不是採用光、無線電波或是任何其他的傳統方式,來觀察宇宙。它也會成為觀察愛因斯坦廣義相對論的一扇全新窗戶,因為雖然大多數人都相信重力波存在,但是並沒有人真正直接看到它們。LIGO的發現重力波,其重要性不下於二十世紀初電子、質子與中子的發現。可以確定的,這個實驗若成功,一定可贏得諾貝爾獎。(編按:這個團隊因為證實了愛因斯坦的「重力波」,在2017年獲得諾貝爾物理學獎。)

並不是所有人都殷切期盼LIGO的到來。LIGO的建造與運作,預計需要花數億美元,因而它必須從其他研究計畫那邊將經費吸過來。無可避免地,LIGO從其他重力波實驗那裡搶到錢,但是它對經費補助所帶來的衝擊,也侵害到其他領域。藉由將自己稱為一座觀測台,LIGO也已經踩到天文學家的腳上。

天文學家看見LIGO把寶貴的經費從他們自己的研究上吸走。在1991年《紐約時報》的一篇文章中,來自貝爾實驗室、早期曾經參與重力波研究的泰森(Tony Tyson)這麼說:「天文物理學界大半的人似乎都覺得,就算重力波信號真的被偵測到了,我們也很難從其中獲得任何重要資訊。」 奧斯崔克(Jeremiah Ostriker),普林斯頓的一位知名天文物理學家,告訴《紐約時報》,全世界「應該等待某人想出一個比較便宜也比較可靠的重力波偵測法再說。」

天文物理學家們勇於發聲,而且幾乎是憤慨地,表達對LIGO計畫的反對。在1990年代初期,由普林斯頓高等研究院的巴可(John Bahcall)擔任主席的一個天文學家評審團,被要求為當時的天文學研究計畫排名,來作為美國研究經費優先補助的參考,結果他們連把LIGO納入他們的排名內都不願意。

美國國家科學基金會拒絕了LIGO的前兩次申請案,在它第一次提出申請案的5年後,才通過它的第三次申請案,補助的總預算為2億5千萬美元。對於一個很可能根本就不會看到任何東西,而且,乍看之下,在技術上根本就不可能被建造出來的儀器來說,這樣的金額似乎是太多了。然而,1992年,在構思、設計及夢想了將近20年後,一個完美的實驗計畫終於可以開始執行。

【書籍資訊】
摘自完美的理論
完美的理論
數位編輯整理:謝富晟,朱玉瑩
Photo:wikipedia,CC2.5 Licensed.

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