關於引力波的五個謎思

優雅而難以捉摸。合併黑洞的模擬呈現出引力波。NASA/ESA/wikimedia

BICEP2(宇宙泛星系偏振背景成像二代)望遠鏡背後的科學家們去年做了一個非凡的宣稱，他們已經探測到引力波，亦即時空漣漪。最初這被譽為本世紀最具突破性的發現，但後來證明是假警報：該信號只是銀河系塵埃。

那麼，我們是否有可能找到引力波？他們真能為大爆炸提供無可辯駁的證據嗎？下面是關於引力波五個常見的神話和誤解：

1. 挫折只是磨合期問題

搜索引力波看起來像是才剛剛開始，但實際上它已經持續了幾十年而尚未成功。

引力波是巨大物體在時空結構中通過時產生的脈動擾動或稱「波紋」。它們傳播時在亞原子尺度擠壓和拉伸物體。科學家們一直試圖通過觀察附近物體如何受到影響來證明引力波的存在。

經過的引力波延伸和壓縮路徑上的物體。wikimedia

1968年，美國物理學家約瑟·韋伯聲稱他已經用這種方式檢測到引力波，使用的是他的高深莫測的巨大鋁圓柱體組成的探測器，杯具的是這後來被證否。

如今，科學家們更喜歡用激光干涉法來尋找引力波。它的工作原理是將一束激光在垂直方向上分裂，各自通過一條長距離真空管道，然後通過反射鏡反射回出發點，在那裡放置有一個檢測器。如果光波在途中受到引力波擾動，重組後的光束就會不同於原來的。

地面干涉儀，如激光干涉引力波天文台(LIGO)，有著長約四公里的雙臂。未來的太空干涉儀如分赫茲干涉引力波天文台(DECIGO)和激光干涉空間天線(eLISA)將使用跨越一百萬公里的激光臂。這些實驗預計將在未來十年內發射，而一個eLISA「探路者」任務則即將發射。

2. 引力波來自早期宇宙

引力波最強的來源實際上是天體物理過程，它們所有時間都在發生。

這些來源中最顯著的是成對白矮星或黑洞(所謂的「雙星系統」)的旋轉。它們被認為通過發射引力波而逐漸喪失能量。1974年著名的赫爾斯-泰勒脈衝雙星的發現表明了這一點。該脈衝星正以廣義相對論預測的速度損失能量，提供了引力波的間接證據(但並沒有觀察到引力波本身)。

然而，科學家們也在尋找宇宙誕生後不久就產生的引力波，稱為原初引力波，而它們更是難以捉摸。

3. BICEP2有一天能「看到」引力波

BICEP2的目標之一是嘗試檢測原初引力波在宇宙微波背景(CMB)溫度中印記下的特徵。該輻射包含宇宙年齡僅三十萬年時基本粒子湯第一次發出的光線，早在第一批恆星誕生之前。

由普朗克衛星測量的宇宙微波背景。ESA/Planck Collaboration

當光波在一個特定方向上振動，我們說它有一個特定的偏振。如果在CMB誕生時有引力波存在，他們應該留下一個獨特的旋渦模式–在光的偏振中的捲曲–稱為「B模」。

因此，B模只是引力波的間接證據。這一點很重要：BICEP2等實驗無法觀察引力波本身，只能觀察它們留下的指紋。

即使獲取這些指紋也是不容易的。B模通常被塵埃發射的更強大信號，和混淆不同類型偏振模式的引力透鏡效應所掩蓋。消除這些和許多其它污染物是一個最微妙的任務，且往往依賴於其他實驗的結果。

這種複雜的挑戰將由下一代類BICEP實驗解決，如阿塔卡馬宇宙學望遠鏡(ACT)及其計劃中的繼任者AdvACT。他們能夠以普朗克難以企及的尺度測量CMB，還能從BICEP中學到對塵埃和其他污染物建模的寶貴經驗。在十年內檢測到B模的前景看起來非常有希望。

有些人甚至猜測，通過從已知天體物理過程中減去檢測到的引力波，空間干涉儀也許能夠探測到原初引力波。

4. 引力波將會「證明」宇宙大爆炸

最早的引力波的來源不是大爆炸，而是宇宙暴漲：緊接宇宙大爆炸之後，宇宙經歷的一段短暫的指數性膨脹。

BICEP2宣稱發現了的引力波是這段宇宙加速膨脹的副產品。這符合廣義相對論，它預言一個加速的物體會發出引力波(類似於加速的電荷發出電磁波)。

暴漲目前被認為是早期宇宙的主要模式。雖然許多關鍵的暴漲預測已被驗證，預測中存在的原初引力波仍然是難以捉摸的。如果它們被觀察到，就會直接告訴我們暴漲發生的能量規模，使我們更接近理解大爆炸。但它們不能證明大爆炸，這是一個我們還沒有理解的數學奇點。

5. 我們只需要一個實驗來檢測它們

引力波的強統計證據肯定需要一個以上實驗。像光波一樣，引力波以一個頻譜的頻率出現。兩種檢測技術(B模和激光干涉)正以不同頻率尋找引力波——相差15個數量級。

最簡單的暴漲理論預言了特定頻譜的原初引力波的背景，換句話說，我們知道每個頻率的振幅應該是什麼。因此，如果科學家們能夠在兩個非常不同的頻率上發現引力波，這將是暴漲甚至最強硬的懷疑論者都很難反駁的有力證據。

那麼搜索是值得的嗎？

第一代空間干涉儀會達到檢測原初引力波所需靈敏度是非常不可能的。這種信號到底像什麼樣尚屬未知，而且在原則上，它對未來任何干涉儀都是遙不可及的。

然而，如果我們能夠直接探測天體引力波，這將開闢新途徑來檢驗愛因斯坦廣義相對論的正確性，它用來描述現代物理學中的引力，這一理論(在最近幾年受到了質疑)預測了引力波的存在。

它也將提供任何其它方式都不能提供的對恆星進化、星系和黑洞的新見解。

[王丟兜 via TheConversation]