科學人 發行日期:2013/11 刊號:141
分享| 分享至新浪微博 分享至facebook 分享至PLURK 分享至twitter

傳頌大霹靂的重力波

撰文/安德森(Ross D. Andersen) 翻譯/李沃龍

 科學家正專注於設置儀器,來捕捉從未現身的重力波訊號,以窺探無法直接觀測的黑洞內部與時間起點的樣貌。

假設你想一窺時間的起點,也就是宇宙誕生的那一刻,你可能會打造一架完美的望遠鏡,威力強大到足以看見可觀測宇宙的盡頭。你會遠離遮掩星光的文明,開始勘查乾燥無比的山巔,在靠近山頂的高處鏟整出一塊平坦的地基,在上面建造起具備最先進科技的天文台。天文台裡將裝設一面巨型鏡子,大小遠比太空中任何望遠鏡的口徑還大,並配置一系列精密的偵測器。然後,你會耗費數十億美元與數年的時間,來確保沒有遺漏任何一顆光子。但你究竟能看到什麼?以一個適宜觀測的夜晚為例,月亮隱匿於地平線之下,幽暗卻開闊的蒼穹覆蓋於頭頂上,紫黑色的展示櫃裡會閃耀著什麼樣的珠寶?

確實有許多值得一看的景色:在相對於固定旋轉的星座前面,你可看到寥寥無幾的漂泊行星;在它們後頭佈滿微弱白斑的背景上,鄰近的群星閃爍;某些位於數億光年外的星系,在天空中較幽暗的角落裡微微發光。如果把你的完美望遠鏡指向正確的位置,它將揭露仍在膨脹且更深邃的宇宙,帶你追溯最古老的第一代恆星──混著些許氦氣的巨大氫氣球體,熾熱的表面照亮了年輕的宇宙。

但光有其極限,無法呈現完整的宇宙。你可以在每個晚上都澈夜使用望遠鏡觀測,卻永遠無法瞧見黑洞的中心,或回溯太古之初。大霹靂之後的數十萬年間,新生宇宙裡的光子就像墜入爛泥中的螢火蟲般,被困在密不透光的厚實粒子原湯裡。直到大霹靂後38萬年,宇宙才冷卻到某種清澈透明的狀態,形成一個可看見初生閃光的空腔。我們將此閃光稱為宇宙微波背景輻射(comsic microwave background, CMB),它是現代宇宙學的重要課題,也是一堵時間之牆,在它的背後是無盡的漆黑。

幾個世紀以來,這種小心蒐集古早光線的方式,一直主導著對宇宙的觀測,也是宇宙學最雄心壯志的實驗是否得以成功的關鍵。但無論我們的望遠鏡變得如何巨大且靈敏,光仍然無法照亮太古之初。要想一窺CMB之前,回到宇宙誕生之時,宇宙學家必須借助於將自身回音散佈於整個空間的重力,我們稱此回音為「重力波」(gravitational wave)。我們需要與望遠鏡截然不同的新儀器,才能偵測到這些回音。


宇宙交響樂

在數十年前,我們開始建造可觀測重力波的儀器,但目前已證實是徒勞無功。直到寫作此文為止,造價5億7000萬美元的雷射干涉儀重力波觀測站(Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory, LIGO)就是這類嘗試的最佳代表(參見2002年6月號〈時空漣漪〉)。它由三台儀器組成,其中兩台位在美國華盛頓州,另一台則在路易斯安那州。每一台儀器都是罕見的工程傑作,這些雷射測量儀能夠偵測到一個原子寬度的振動。LIGO藉由射向兩支垂直臂的雷射,測量它們之間的長度差──這項技術稱為雷射干涉術(參見43頁下方〈雷射干涉儀〉)。倘若有一道夠大的重力波經過,將會來回拉扯兩臂,因而改變它們之間的相對長度。基本上,LIGO是一座天體聽筒,一座用來傾聽隱形宇宙所奏出微弱交響樂的巨型擴音器。

1 2