創造奇蹟者(一)：重力波的發現者

2016年2月11日美國時間上午時分，麻省理工（MIT）、加州理工（Caltech）和美國國家科學基金（NSF）共同發布了偵測到13億光年外兩顆黑洞融合為一時發出的重力波。偵測到重力波的時間為2015年9月，這是人類歷史上第一次偵測到重力波。

這是一個跨越100年的科學研究課題。花費值得嗎？

當天早上，MIT校長L. Rafael Reif罕有地發表了一封致全校的公開信，信中說：「我通常不會寫信祝賀學校裏的個人成就，無論成就如何重要，畢竟產生重要成果，是我們日常生活一部分。但今天我強調這一發現的重要性，因為它表現了人類如何以一個大規模的合作去進行一個深刻的科學研究課題，以及它的長遠重要性。」

建造大型探測裝置

重力波實驗，即LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）的最原始設計，是由MIT教授R. Weiss在1967年提出，當時Weiss教授的原意是用一個簡單的紙上實驗來向學生解釋什麼是重力波。紙上實驗的設計是一個懸浮在空中長度為L的固體。光從固體一端到另一端的時間為T=L/C（C=光速）。當重力波經過固體時，T會產生微小的改變。不過這改變非常微小，要量度這一改變需要非常精細的時鐘。

七十年代中，Weiss教授向NSF提交了一份實驗計劃申請，引起了其他有意進行類似實驗的科學家注意。1975年，Weiss教授遇到了Caltech的教授K. Thome，他們同意MIT和Caltech應該合作去實踐重力波實驗計劃。經過漫長的實驗討論和測試後，MIT和Caltech在1985年正式提交聯合實驗計劃到NSF。他們提議建造兩個5-10公里長的獨立L形結構作為重力波探測的主體裝置。

首度測重力波訊號

經過與NSF和其他科學家漫長的討論和爭辯後，修訂後的實驗計劃由MIT和Caltech再向NSF正式提交，計劃建議建造兩個4公里長的L形探測結構。1992年，NSF批准了計劃，開始建造重力波探測裝置。裝置在2010年初步完成，然後是不斷的改進和加強測量精度。到了2015年9月，裝置第一次探測到清楚的重力波訊號。在探測到重力波訊號後，Weiss教授這樣說：「我感覺到快樂，但主要是如釋重負。過去40年，在我背後有一個不斷響起的聲音：『Ehhh，你肯定你的實驗真的會成功嗎？有這麼一大堆人跟着你走啊，如果不成功，那……』這聲音終於靜下來了。」

重力波的存在由愛因斯坦在1915年提出，現時LIGO實驗有大約950個來自世界不同地方的科學家參與，已花費超過10億美元。香港也有一位年輕物理學家參與其中。這是一個跨越100年的科學研究課題。

給香港學府的啟示

花費值得嗎？有不少人曾經提出質疑。這是一個高風險（低成功機會）但高回報（開展宇宙物理研究新時代）的實驗。很難想像，如此性質的實驗會在只注重短期回報的香港或其他地方獲得政府和立法會支持。所以，美國的政界、學界慶祝的，不單是一個科學成就，更是該國政界和學界合作制度的成功！這個制度令美國在科技領域保持世界領先地位，讓她能繼續產生奇蹟！

（本文為「創造奇蹟者」系列文章）

撰文：吳大琪教授

香港資優教育學苑院長、香港科技大學理學院物理學系教授

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