傳頌大霹靂的重力波
"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。 "
撰文／安德森（Ross D. Andersen）
翻譯／李沃龍
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」（gravitationalwave）。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。
如同許多奇異的物理現象般，重力波源自於理論的概念，是方程式的產物，而非感官經驗所致。愛因斯坦是第一位意識到廣義相對論預測有重力波存在的人，他理解到某些超大質量的物體在高速運動時，會猛烈拉扯空間結構，進而發送出橫貫自身的微弱波浪。
有多微弱？愛因斯坦認為重力波太過微弱，以至於永遠無法觀測到。但是在1974年，侯斯（Russell Hulse）與泰勒（Joseph Taylor）這兩位天文學家藉由精巧的實驗，仔細研究一種稱為波霎雙星的天體，推論出重力波確實存在。波霎是恆星爆炸留下的內核，會快速自轉、閃閃發亮。它們十分規律地轉動並發射閃光，這種可用來做為宇宙時鐘的特質，使它們備受天文學家喜愛。在波霎雙星系統裡，其中一顆波霎與另一個天體（在這個案例中，那是顆超緻密的中子星）彼此互相繞行。侯斯與泰勒領悟到若愛因斯坦的相對論正確無誤，則互繞的兩個天體會產生重力波，因而將軌道能量排出系統外，使它們的軌道縮小、互繞速率變快。這兩位天文學家畫出該波霎的可能路徑，然後經年累月地觀察它，看看數據中是否能呈現出軌道縮小的跡證。結果不但出現軌道縮小的現象，且完美符合侯斯與泰勒的預測，清晰明確的圖形完全證明了愛因斯坦的理論，讓他們兩位榮獲1993年的諾貝爾物理獎。
