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黑洞望遠鏡三雄奪物理獎


[2017-10-03]
觀測重力波 證愛因斯坦廣義相對論預測

2015年9月14日,科學家成功透過兩個黑洞的碰撞觀測到重力波,印證了物理學家愛因斯坦百多年前在廣義相對論的預測,消息轟動國際。這項橫跨13億光年的偉大發現,全賴於全球20多國過千名科學家,在美國「激光干涉儀重力波觀測站」(LIGO)項目的研究努力,當中美國科學家韋斯、索恩及巴里什窮半生之力,從零開始籌建LIGO和設計相關理論模型,功績昨日更獲得瑞典皇家科學院肯定,授予3人本年度諾貝爾物理學獎。

自去年初公佈重力波發現後,被形容為「黑洞望遠鏡」的LIGO,已被視為篤定可以獲頒諾獎。3名得獎者當中,麻省理工榮休教授韋斯將獲得900萬瑞典克朗獎金的一半,加州理工學院榮休教授索恩和巴里什則瓜分另外一半。

「重力波」是指時空曲率中,以波的形式傳播的擾動,每當質量加速時產生,以光速移動,且充滿宇宙。愛因斯坦雖然預言了重力波存在,但他一直不相信人類可以觀測重力波。

設計干涉儀 消除背景噪音

不過到了1950年代末,科學家已發現重力波的蛛絲馬跡,並開始研究探測方法。1970年代中期,韋斯設計出激光干涉儀,藉此消除會阻礙觀測重力波的背景噪音,索恩其後加入研究。他們計劃製作一個「L」型干涉儀,在「L」的角位和兩端各放置一塊巨型鏡面,並從角位向兩端發射激光。他們估計一旦重力波通過時,探測器兩臂長度會出現些微差異,導致激光從兩端反彈回起點時,無法互相抵消,從而穿過分光鏡抵達探測器。

LIGO的概念雖然簡單,但「魔鬼在細節」。由於干涉儀兩臂長短誤差比原子核直徑更小,因此要建造4公里長的超巨型干涉儀,提升觀測機會,當中涉及最精確儀器、最頂尖工程設計和最複雜物理理論,這些都歸功於韋斯和索恩兩人。不過龐大項目需要大量人手資金,到1980年代末期,LIGO無論技術抑或組織架構上都遭遇樽頸,負責出資的美國國家科學基金會(NSF)多番施壓,最終巴里什於1994年臨危受命成為項目主管。

曾10年無任何發現

巴里什接手後,將LIGO由40多人的小團隊變成國際性科研組織,並確保必要資金和政治支持。LIGO於2002年竣工後的10年裡都沒有任何發現,但科學家沒有放棄,直至前年9月觀察到來自13億光年外兩個黑洞相撞產生的重力波,年屆八旬的韋斯、索恩和巴里什多年努力終於得到回報。

瑞典皇家科學院讚揚LIGO的發現「震撼全世界」:「這是全新且不同的發現,開啟了前所未見的世界。豐富的發現正等待那些成功觀測到重力波並解讀其訊息的人。」

遲一個月公佈發現 已故功臣無緣諾獎

韋斯和索恩自1970年代起合作,為發現重力波努力40多年,可惜的是,當年曾與他們一起奮鬥、被視為LIGO「第三功臣」的加州理工學院榮休教授德雷弗,今年3月以85歲高齡去世,由於諾貝爾獎規定只頒予在生人士,故德雷弗未能共享殊榮。

韋斯、索恩和德雷弗三人,去年已經憑重力波發現,獲頒邵逸夫獎天文學獎。雖然LIGO早在前年9月已經觀測到重力波,但由於需時間確認,遲至去年2月才公佈發現,結果趕不及去年1月底截止的上屆諾貝爾獎提名期。換言之若團隊早幾日公佈,德雷弗或已可趕及在死前獲得諾貝爾獎。

巴里什昨日得獎後表示,團隊早已有心理準備,他亦設好鬧鐘準備接聽諾貝爾獎委員會的電話,沒想到通知仍然比鬧鐘早了4分鐘,他形容這是「愛因斯坦的大勝利」。索恩則形容得獎是「全體人類的勝利」,指出重力波將是人類探索宇宙的重要工具,「不是未來幾年或幾十年,而是未來好幾個世紀。」不過索恩也表示,對於其他數千名參與研究的科學家未能獲獎,感到有點失望。

得獎者為《星際啟示錄》提供理論

索恩近年已經退休,專注科普工作,其中最為外界熟悉的,要數他為著名科幻電影《星際啟示錄》(Interstellar)提供科學理論,成功勾起無數人對黑洞等天文理論的興趣。


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