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2016年3月2日

張綺霞 訪談錄

29歲重力波科學家 黎冠峰經常走錯路

早前美國鐳射干涉重力波天文台(LIGO)科學家團隊宣布成功探測到重力波,印證愛因斯坦百年以前發表的廣義相對論,更可以此探測肉眼看不到的黑洞活動,是物理學重大發現。中大物理系助理教授黎冠峰是LIGO團隊成員。物理在港不是熱門科目,與其他純理科一樣,常被加上「畢業後無前途」的標籤,黎冠峰對此大不同意,他因醉心天文而不顧父母對他讀醫的期望,主修物理,最後成為黑洞專家。做科研工作相當苦悶,還會經常走錯路,但對宇宙的熱愛成為他不斷前進的動力,他期望這次發現喚起港人對科學的興趣,帶出「讀物理其實有路行」的訊息。

黎冠峰1986年在香港出生,4歲移民荷蘭,從小他就喜愛看星,回港探親,也嚷着要去太空館參觀,小時候夢想成為太空人,只因發現自己會暈車而作罷,轉而研究天文學的科學物理,「想知道宇宙中還有什麼,想知道為什麼」。後來升讀劍橋大學自然科學系,也主修物理,碩士畢業後,他決定到荷蘭亞原子物理學國家研究所/阿姆斯特丹自由大學修讀物理系博士,論文專研重力波物理,推論重力波數據如何可證實愛因斯坦的廣義相對論。

從2009年開始,他同時參與兩所重力波觀測站的工作,籌備歐洲的Virgo觀測站及協助更新美國的LIGO觀測站系統。其後他到美國做博士後研究,直接參與LIGO的工作,用更靈敏的新科技替代舊有儀器,他的工作主要是建立新的數據分析軟件,讓日後重開時將海量數據迅速分析。

探測重力波困難重重

愛因斯坦的廣義相對論是現代天文學的基礎,他在裏面提出與宇宙的生成和變化的種種理論和預言,認為重力其實是質量造成的時空扭曲,星體質量愈大,其所造成的時空扭曲便愈厲害。若用形象化的方法來說,時空就如一張彈網,質量大的星體就如重物,讓網下陷,周遭較小的物質會因而圍繞旋轉,就如質量小的星體圍繞質量大的星體轉,我們稱之為引力。他預測當兩個距離很近的大質量天體,如黑洞或中子星互相碰撞時,就會產生巨大的時空扭曲,其扭曲作用如漣漪層層向外傳遞,被稱為「引力波/重力波」。重力波可由多種不同現象造成,當中以愛因斯坦的理論最簡單。由於重力波到地球時已極微弱,多年來沒有足夠靈敏度的裝置可量度,因此一直未能證明其存在。如今有直接的重力波讓時空扭曲證據,則可更肯定其黑洞、宇宙暴脹和大爆炸等理論。

LIGO探測器於2001年建立,由美國東西兩邊兩個相距數千公里的大型鐳射干涉儀組成,每個設有兩條呈直角相連、長達4公里的長管形建築,每個管道裏全為真空,一邊發射鐳射光束,一邊則為接收光束的鏡面,透過量度光速的變化,可測試到距離的轉變,若重力波傳遞到地球,空間將會有所扭曲,讓一條管道的距離變長,另一條的距離變短。

機器本身的結構複雜,黎冠峰笑言也難用三言兩語解釋,「它擁有很多感應器,量度環境的震盪,四周電流產生的磁力影響等。」要準確量度,最大的困難就是減低地面的雜訊,由於要測量時空的扭曲,鏡子要為可移動的,因此須懸掛在半空,但這設置也會輕易受外界震動影響。雖然在真空的空間裏不會有氣流的推動,但地球上的許多震盪會,如地震、關門乃至電流等都會影響鏡子位置,「例如10Hz的電力已足夠造成微微的震動,防震功夫要做得很徹底,不然測量的數據會被掩過。」測量器因此保護重重,運行時沒有人可進內。「裏面有很強的鐳射光,走過也會對人體造成破壞。」

為排除人為震動所造成的錯誤訊息,探測器需要同時有兩個以上。這次探測到重力波,便是由相距甚遠的兩個探測器同時量度到一樣的震動,而且時間差距符合兩地距離,結果才可信。

過千科學家合力研究

歐洲的Virgo觀測站有類似設置,但每個管道較短,長3公里,將會在今年3月正式運行,黎冠峰同樣有分籌備。管道綿延數公里,他笑言「維修時往往需要踩單車或者要駕車去完成」。有趣的是,Virgo每年8月維修時會進行比賽,讓科學家自行組隊,先在管道中踩單車6公里,再回跑3公里到終點,熱愛運動的他自然不會錯過。

這次成功探測到重力波是它正式運行前數天、還在試行階段時發生。「我們要排除一切地球震動的可能,靠的是我們之前設計的軟件,這是最困難的部分,一定要做到極準確,因為這是重大的發現,不能說『推想』,要100%肯定那是宇宙來的。」

當中牽涉龐大的數據分析,因此整個團隊有全球過千名科學家一起工作,「每星期開視像會議都要談上五六小時,如大公司一樣,多人自然多選擇,文化也不同,做起事來自然慢些。」造成重力波有多種原因,包括星體爆炸、中子星生成、宇宙大爆炸等,當排除了地球因素,確定為重力波後,各研究範疇的科學家就將數據與可能的成因作配對。就算是同一研究範疇,科學家也會分成數組,各自分析,當幾組都得出相同結論時,研究結果才可得到確定。

黑洞專家不乏九十後

在香港,不少人都驚訝於他的年輕,但他笑指在團隊中比他年輕的研究員大有人在,「有很多相關的博士生參與,大概二十五六歲,而我已做了6年。」他是黑洞科學家組的其中一名統籌者,負責將重力波數據與可能對應的黑洞活動聯繫,亦有分證實這次重力波成因,是由一個質量相等於29個太陽的黑洞與另一個質量相等於36個太陽的黑洞在13億光年外合併造成。如今他們整理出來的只有探測器運行16天的數據,其他仍在分析中。由於黑洞無法用肉眼觀察,科學家暫未知宇宙中到底有多少黑洞,無法預測重力波是否常見。

研究有成果固然興奮,但此前必須忍受漫長的苦悶,每天都要對着大量相似的數據,而過程中經常會走錯路,花費大量力氣卻不得要領,要重新再來。「有時花的是幾個月時間,其實大部分科學家都是走錯路比走對的多。」黎冠峰自言有時也會覺得枯燥。「很多科學研究也是如此,雖然跟外面的人說時好像很有趣,但其實跟寫字樓工差不多。有時候受不了,就會想到研究的初衷,以及宇宙之大,又會看看關於宇宙的紀錄片,喚醒興趣,有了繼續的動力。」

起初他跟家人說要讀物理,他們也曾擔心,跟香港家長一樣,他們最期望孩子能當醫生或律師。荷蘭醫科收生要求高,他成績達標,也曾被母親「哦」了一陣,勸他轉到醫學系。「在歐洲或美國,讀物理也有很多出路,不少同學同事最後也進了銀行或去了矽谷,只是香港的路比較難走。」

他自嘲,如果在香港成長,可能他最後也會因為擔心前路而選醫科。「在荷蘭, 很少人是為了工作而選科,那邊社會的普遍想法是,無論讀什麼,畢業出來仍有好多路可以走,香港人則會較擔心前路,怕太高學歷或讀錯科難找工作。」他期望大家可以改變想法。「其實香港的中學生是很叻的,可以多鼓勵他們學習科學。」

念完博士後,他選擇投身研究而非找其他工作,同路人並不多。說到這裏,他笑着補充:「但都比香港的多。」雖然外國的科研計劃較多,進修之路較闊,但大學的研究和教席空缺甚少,需要碰巧有相關科目範疇的人退下來,也要有一定研究成績,才有機會繼續走下去。「因此要世界各地到處跑尋找空缺,兩年兩年地搬,有些人更帶上老婆仔女,很快就決定放棄。在博士生中,最後能做上教授的不超過10%。」

港學生也可進行研究

如今回到香港發展,也是緣分使然,碰巧中大有相關空缺,也有認識的教授作引介,而他自覺是香港人,於是便決定申請,如今已是物理系的研究助理教授。「其實香港也很有趣,這麼小的城市有這麼多所好大學,研究也不錯,但funding較少,無法跟美國和歐洲比,這也是可以理解的。但我覺得政府可增加資金扶助這方面的發展。」

他希望未來可替中大發展黑洞研究的範疇,並會加入LIGO取得外國探測儀數據來分析,「其實如今的研究都在外國的超級電腦進行,我們只需要寫好分析方法,傳給它們運作便可,在哪裏做都可以。因此研究門檻並不高,不需要設置整個機器才進行,一般學生有興趣都可以玩。」

發現了重力波,對日常生活有何影響?「其實暫時都沒什麼影響,因為這些波實在太弱了,連測量都是難事。只是研究宇宙的方法因此有很大改變。科學裏很多都是,剛發現時人們不知道可用來做什麼。」

「例如愛因斯坦首先想出鐳射光,當時的人也不知道有什麼用,誰料到今天用途如此廣泛?其實科學許多理論都不是為影響社會而做,反而是先研究了才想如何應用。」然而在重視實效的社會中,他深深體會到爭取研究資金與空間的困難。「希望人們能明白,科學的影響往往是數十年乃至100年後才顯現,今天我們所享受的高科技,全是因科學研究而來。」

研究多年,物理知識也影響了他對生命和世界的看法。「能見到和量度的,我才相信其存在。」了解更多宇宙的奧秘,他感到自己的許多困難和問題都微不足道。「明白了宇宙有多大,時間有多長,便會體會到人的生命有多短,因此也會看開了。

撰文:張綺霞

[email protected]

攝影:陳縱宇

部分圖片由受訪者提供 

 

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