Saturday, March 26, 2016

宇宙伸懶腰的聲音(二)

英文有兩組關於 “感知能力” 的字群:
    Sense, sensitive, sensory, sentient, sensible, sentinel ...
    Perceive, perception, perceptive, perceptual, perceptible ...

Sense 較被動,是世界在感官留下印記,如風吹皺一池春水。Perceive 較主動,是運用感官探索,向世界投石問路。不論主動被動,人的確為有情生靈 - sentient being - 對世界充滿了好奇心。科學家將此好奇心推向極致,肉眼所不能見行跡所不能達之處,也欲一探究竟,因此發展科學儀器,令感知能力超越肉體的局限。我們今日享受的許多文明成就,從照相機、顯微鏡、電視、手機、網路、衛星天線、醫療影像,皆可視為人類的延伸感官 (extended sensory).

用來研究重力波的雷射干涉儀,LIGO,可謂目前人類最精密的延伸感官。2015年9月14日,相隔兩千英哩的兩座觀測站同時聽到了宇宙伸懶腰的聲音。經過幾個月仔細驗證,LIGO 科學社群(NSF, MIT, Caltech, etc) 終於在今年,2016年2月11日召開記者會,宣布這一個來自13億光年處兩個迴旋撞擊的黑洞所發出的 “聲音”。許多科學粉絲已將此變成手機鈴聲;這無疑是目前最為深邃的聲音,請你多聽幾遍



(宇宙伸懶腰的聲音 - 其實信號經過變頻,以便讓人耳聽到)


兩個黑洞,每個直徑150公里,30個太陽的質量,以一半光速繞著彼此,然後撞擊合併。這是電腦模擬的過程 (7:00-9:40). 它們撞擊時釋放出3個太陽的能量,扭曲空間結構而產生重力波,聽起來好似亂石崩雲驚濤裂岸般壯烈的星際海嘯。沒錯,黑洞的撞擊確如巨石入水,但巨石投入的不是個淺淺池塘,而是廣大深沉的大海,因此巨石不能掀發巨浪,僅能激起泡沫。宇宙的時空結構非常穩定,如緊繃的鼓面,否則我們以及億萬蟲豸豈能在星際海嘯中安然無事?

星際海嘯傳到地球的時候已極其微弱。多麼微弱呢?它造成的空間扭曲僅僅為10的21次方之一。就是說,若要觀察到氫原子大小的時空扭曲,需要地球到太陽三分之二的距離,或者260倍地球到月亮的距離。若要觀察到氫原子核大小的時空扭曲,則需要1750公里的距離。LIGO 的雷射干涉儀有兩隻L形的手背長僅4公里,因此必須能夠觀察到氫原子核數百分之一大小的空間扭曲。

(位於美國華盛頓州 Hanford 的雷射干涉儀,LIGO)


(LIGO 靈敏度 vs. 氫原子核 vs. 氫原子大小的示意圖)

這才是真正的不可能的任務。觀測儀建在地球上,受到各式各樣的干擾;幾個氣體分子飄過,些許震動,一點點溫度變化造成的物質伸縮,就沒戲唱了。講到這裡一般讀者應該已經一頭霧水,因為大多讀者對光學或雷射干涉儀並不熟悉。

其實人們對光學干涉現象知之甚早。1717年牛頓對牛頓環發生興趣(當然那時不叫牛頓環);1801年楊氏的雙狹縫干涉實驗奠定了光的波動性質。19世紀中期科學家用干涉儀準確測量光速,並用干涉儀粉碎了以太理論(ether theory)。干涉儀也是今天超高速光纖傳輸使用的關鍵器件。

(牛頓環,Newton's ring)

下圖的桌上型干涉儀稱作 Michelson Interferometer,與Michelson & Morley 在1887年進行實驗所用的一樣。分光鏡令光源各行其路,歧路之光各被鏡子反射;反射光復經分光鏡到達感測器。感測器同時看到來自兩個光路的光線,因兩個光路路徑長度的差異,遂看到了干涉現象(可以是光強度的變化,也可以是干涉圖像)。關鍵處在於將路徑的差異轉化為感測器所收到信號的變化,這是許多技術了不起的地方:欲測量A但是直接測量非常困難或根本不可行,於是發明一種儀器將A轉變成B,然後測量B,最後根據A與B之間的理論關係推導出A。這過程看似彎彎曲曲,但與世上許多事情一樣,間接的方式經常比直接的方式更可行。而且往往另闢蹊徑,開啟新的領域。

(桌上型干涉儀)

LIGO 干涉儀是桌上型的放大版,每條光路達4公里長;做成L形手臂,一條光路因重力波而伸張,另一條則壓縮。宇宙之欠身,遂又靠光子來闡明。愛因斯坦有知,寧不頷首微笑?

LIGO 干涉儀靠許多尖端技術打造而成;是以雖早在1970年代就有初步構想,但得等待40年技術的進展才收割成果。比如長達4公里長的手臂置於超穩定防震結構及超真空之中(約大氣壓的10的12次方之一)。反射鏡則懸掛著,如下圖所示,以隔離震動及熱脹冷縮的影響。整個系統除了經過精密的經常的校準,為了避免誤讀,LIGO 團隊更蓋了兩座觀測站,一西北的華盛頓州,一在東南的路易斯安娜州,相隔3000公里,以排除任何地區性的局部干擾現象。就是說,必須兩座觀察站同時看到,才有可能是真的信號。除了實驗團隊,理論團隊亦功不可沒。他們用超級電腦模擬,進行種種繁複計算;事實上,在如此奧妙精微的測量裡,實驗必須臣服於理論 - 別忘了一切皆源於愛因斯坦的一紙方程式!

浩瀚宇宙中,人類何其渺小,然而其延伸感官的意志力與執行力卻何其強大。這個禮讚雖發諸情感,也證諸近世經濟力量生產方式的蛻變。所謂知人論世,若不知科學不曉技術,可得全貌乎?

(LIGO 所用懸掛式反射鏡)