2014 四月號
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第102期電子報  出刊日期:1030417

科學新文摘

 

 

仰望時間的起點,重力波

科學家找到了相對論中尚未證實的最後一塊拼圖 ── 重力波,可望讓我們更了解宇宙誕生的瞬間。
撰文/洪志良

「遍尋你千百回也不厭倦」這句話,或許是最適合用來形容重力波( gravitational wave )這個集眾多科學家之力、費盡巧思仍找尋不到的現象,當然也適用於科學家努力不懈追尋科學真理的精神。

終於,在 2014 年 3 月 18 日,美國研究團隊宣佈已找到「初始重力波」,印證了愛因斯坦的預測。大約在 100 年前,愛因斯坦意識到,「重力」其實是具有質量的物體彎曲了時空結構的表現。若超大質量的物體(例如黑洞)激烈晃動時,時空也會跟著晃動起來,產生重力波。不過愛因斯坦認為,重力波非常微弱,以致於永遠無法觀測到,而重力波也是至今相對論中尚未證實的最後一塊拼圖。

1974 年,侯斯( Russell Hulse )與泰勒( Joseph Taylor )研究了一對互相繞行的波霎與超緻密中子星。他們推論,若相對論正確無誤,則互相繞行的這對天體應該能夠產生重力波,使它們的軌道縮小、速率變快。在經年累月的觀測後,數據結果完全符合侯斯與泰勒的預測,兩位天文學家也於 1993 年榮獲諾貝爾物理獎。  

侯斯與泰勒的研究成果間接證實了重力波的存在,但是仍然沒有直接觀測到重力波。後來,美國斥資 5 億 7000 萬美元搭建雷射干涉儀重力波觀測站( LIGO ),經歷 10 多年的觀測,仍然鎩羽而歸,沒有接收到重力波的訊號。在那之後,科學家設計了各式各樣的儀器,例如 2009 年升空的普朗克衛星( Planck )、位於南極的南極望遠鏡( SPT )等,耐心守著天空,卻依然不見重力波的影子。

奇蹟出現

在全球科學家的苦心等候之下,奇蹟終於出現了!由美國哈佛史密森尼天文物理中心、史丹佛大學、加州理工大學、明尼蘇達大學等組成的研究團隊,利用位在南極的 BICEP2 望遠鏡,避開了較強訊號來源的天體、觀測乾淨的天空,他們從宇宙微波背景( CMB )中首次找到了早期宇宙時空漣漪所留下的足跡 ──B 模態偏振( B-mode polarization )。

CMB 是大霹靂後旅行了約 140 億年才抵達地球的電磁波,會有電場和磁場在方向上的變動,或稱為偏振性。依據現在的物理理論,只要有日月星辰的存在,就會使 CMB 產生 E 模態偏振。 1980 年,粒子物理學家古斯( Alan Guth )提出了「暴脹理論」。這個理論指出,在大霹靂後約 10 -36 ~10 -32 秒內,宇宙經歷了一段極為快速的膨脹。暴脹理論解釋了宇宙學的數個難題,例如宇宙為什麼這麼老?為什麼如此均勻?而宇宙在暴脹過程中,擾動時空結構,形成了初始重力波,初始重力波則會讓 CMB 具有 B 模態偏振。

暴脹理論提出後,又有許多其他的理論闡述了早期宇宙的形成面貌,包括一些不支持重力波的理論。這一次美國研究團隊的研究成果不但確立了重力波以及暴脹理論,也否定了其他理論。畢業於台灣大學物理系、現為史丹佛大學助理教授的郭兆林也是團隊成員之一,他說:「我們找到了暴脹理論的證據,而且我們也得到了第一幅重力波劃過天空的影像。」

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人 2014 年第 146 期 4 月號】


活動訊息_圖示


物理學已知難題 珠鍊噴泉解密 【聯合晚報 ╱ 彭淮棟】

物理學研究通常從一個已知的難題開始。過程中會出現一些令人驚訝之處,最近的神秘 chain fountain (珠鍊噴泉)就是個例子。

事情起於史蒂夫 ‧ 摩德,他是英國一個電視科學節目的主持人。他是牛津物理學碩士,看來是珠鍊噴泉的發現者,他將過程上傳網路。

在他上傳的視頻裡,他拉一條以金屬珠子連接而成的鍊子的一端。鍊子很長,他一拉其頭,鍊子就自己從玻璃容器流洩而出,就像水或汽油從水槽或油槽裡虹吸而出。

這現象本身就夠有趣,但真正令人訝異的是,鍊子不只是從容器邊緣流出來,還上彎成為一個曲線,一如噴泉下降時的模樣。

摩德說,「我偶然發現這件事。我在找聚合物( polymer )的物理模型」,亦即一個很長的分子。他想,一條珠鍊大概可當模型。結果,他吃驚發現,金屬珠鍊像蛇聞笛般升起。這個視頻於一年前上傳網路,劍橋物理學家畢京斯看見了,他和同事知道裡面涉及牛頓物理學,但他們搞不懂箇中玄機。

珠鍊流洩的速度超過地心引力所能解釋,而且一定有個力量把珠鍊往上推。

畢京斯說,關鍵在從數學角度思考,將一條鍊子想成一連串相接的棍子。

拾起一隻棍子的一端,會發生兩件事。一端上,另一端下。但是,如果往下的力被底下的鍊堆阻擋,就產生反彈,棍子或鍊子,就被往上推。鍊子上升,道理在此。

畢京斯說,網路充斥八卦視頻,在網路發現新的物理學難題,有如意外之財。

他和同事將論文發表於英國皇家學會專門處理學和數學問題的期刊( Royal Society A )。珠鍊噴泉如今已寫入英國中學物理課本。

影片網址: https://www.youtube.com/watch?v=_dQJBBklpQQ

影片

活動訊息_圖示


主  題: 103年度推動教師專業成長研習高中物理教師研習(臺中市)
日  期: 103年4月17日
地  點: 國立豐原高中美術館一樓視聽教室
主  講: 張敏娟 /輔仁大學物理學系教授
參加對象: 高中/高職 /國中相關物理科教師

 

 


主  題: 2014春季展望【宇宙大探索─從光明到黑暗!】系列演講
日  期: 2014/04/11 ~ 06/13每週五晚間7:00 ~ 9:00(6:30 開放依序入場)
地  點: 臺灣大學應用力學研究所一樓國際會議廳)
活動網址: http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=52710

主  題: 【新聞中的物理】講座資訊
日  期: 103年4月19日(六)下午2時至4時)
地  點: 臺北市立圖書館總館11樓研習教室
講  師: 簡麗賢(科普專欄作家)
參加對象: 一般民眾
活動網址: http://www.tpml.edu.tw/ct.asp?xItem=74568259&ctNode=57686&mp=104021

主  題: 2014年張昭鼎紀念研討會
日  期: 2014年5月10日(星期六)09:00~17:00
地  點: 臺大校園內 中研院原分所一樓 浦大邦講堂
報名網址: http://scimonth.blogspot.tw/2013/09/2013-09-07.html

主  題: 天文望眼鏡DIY 華山1914觀星去
日  期: 2014.5.17(六)、5.18(日)
地  點: 華山1914文創園區 東3烏梅酒廠
講  師: 吳俊輝教授
參加對象: 國中以上對天文觀測有興趣者
活動網址: http://www.ylib.com/scientific/activity/201405Telescopediy/course.htm



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