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重力波（Gravitational Waves）是愛因斯坦廣義相對論最重要的預言之一，科學家一直追尋重力波是否存在，但其極微弱的波動是物理學史上最難捉摸的現象之一。近日關於科學家已成功探測到重力波的傳言不絕於耳。在愛因斯坦提出此預言的100年後，專門為探測重力波而建立的鐳射干涉儀重力波觀測站（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，簡稱LIGO）合作組於昨晚（2月11日）正式宣布，兩個探測器已成功探測到兩個黑洞在13億年前合併時所產生的重力波，為人類進一步揭開宇宙起源之謎奠下重要的里程碑。香港中文大學（中大）物理系研究助理教授黎冠峰教授自2009年開始就參與LIGO的研究工作，是LIGO合作組中唯一一位來自香港院校的科學家。 

LIGO由美國國家科學基金會斥巨資資助，並由加州理工學院和麻省理工學院構思、建造及操作，於2001年正式投入運作。LIGO合作組集合逾1,000名來自超過90間大學及研究機構的科學家一起參與發展相關的探測技術及分析數據。LIGO於2015年完成升級工作，成為Advanced LIGO，探測儀器的靈敏度獲大大提升，促成了是次的重力波發現。中大物理系本科生劉家棟亦於去年暑假前往加州理工學院跟從黎冠峰教授參與LIGO的研究工作。 

黎冠峰教授表示：「能夠成功探測重力波，我感到興奮莫名！然而這只是一個開始，為我們打開了探索宇宙的窗戶，成為科學界的一個轉捩點，也代表我們正式踏入天文學的新紀元。」 

愛因斯坦的廣義相對論顛覆了我們對空間、時間，以至對宇宙的看法。時至今天，此重要理論仍讓科學家能準確地描述天體運動及各種各樣的天文現象。根據廣義相對論，假如兩個距離很近的大質量天體（如黑洞或中子星）互相圍繞或碰撞，周圍的時空就會被扭曲，並產生波紋，稱為重力波。LIGO成功探測重力波，說明了時空可以扭曲及壓縮，成為黑洞、宇宙暴脹和大爆炸等理論的強力證據。 

是次重力波信號是於美國東部夏令時間2015年9月14日凌晨5：51分（香港時間當天下午5：51分），由兩台分別位於路易斯安那州列文斯頓（Livingston, Louisiana）和華盛頓州漢福德（Hanford, Washington）的LIGO探測器所探測到，結果已獲《物理評論快訊》期刊（Physical Review Letters）接受發表。 

基於觀測到的信號，LIGO的科學家估算出兩個合併黑洞的質量大約分别是太陽質量的29和36倍，合併發生於13億年前（距離地球13億光年外）。大約3倍於太陽質量的物質在短短1秒之内被轉化成重力波，其功率峰值是整個可見宇宙總功率的50倍。這一束重力波首先到達Livingston探測器，7毫秒之後到達Hanford探測器，表示重力波源位於南半球天區。 

黎冠峰教授將於今天（2月12日）及2月19日下午4時15分假新界沙田香港中文大學康本國際學術園地下3號演講廳，主持兩場公開講座《愛因斯坦的信使：探視宇宙的新窗戶》，歡迎公眾參加。2月19日的講座將以英語進行，2月12日的講座以粵語進行，稍後可於以下連結重溫：https://www.cpr.cuhk.edu.hk/cutv/  

黎冠峰教授簡歷 

黎冠峰教授生於香港，於劍橋大學自然科學系獲得學士與科學碩士學位(2009)，並從荷蘭亞原子物理學國家研究所(Nikhef)/阿姆斯特丹自由大學獲得物理博士學位(2013)。黎教授在2015年加入香港中文大學，此前他以Rubicon 博士後獎金得獎者的身份在加州理工學院完成了兩年的博士後研究，專研重力波物理。從2009年開始，黎教授就參與Virgo 與 LIGO的研究項目，曾獲2013年度Stefano Braccini 國際最佳重力波物理論文獎。 

如有興趣了解更多資料，請參閱以下網頁：
•        LIGO Lab: https://ligo.caltech.edu/
                          (Observatories: Livingston | Hanford)
•        Advanced LIGO: https://www.advancedligo.mit.edu/
•        LIGO Scientific Collaboration: http://www.ligo.org/
•        黎冠峰教授網頁：http://www.phy.cuhk.edu.hk/~tgfli/

LIGO官方新聞稿中譯本（所有內容概以英文版本為準）：

LIGO探測到雙黑洞碰撞產生的重力波　打開了觀察宇宙的新視窗 

有史以來，科學家第一次觀測到時空結構中的漣漪——稱為重力波（gravitational waves），是來自遙遠宇宙中發生的災變性事件所產生的信號。重力波的發現證實了愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論中一個重要預言，為探索宇宙打開了一扇前所未有的新視窗。 

重力波是了解很多宇宙現象的唯一途徑，包括引致重力波的劇烈物理活動，以及萬有引力的本質等。物理學家們確定他們所探測到的重力波，是來自兩個黑洞合併的最後瞬間所引發的，這兩個黑洞最終形成了一個更大質量而快速旋轉的黑洞。有關黑洞碰撞的預言及理論一直都存在，但在此之前卻一直沒被觀測到。 

是次重力波信號是於美國東部夏令時間2015年9月14日凌晨5：51分（香港時間當天下午5：51分），由一對分別位於路易斯安那州列文斯頓（Livingston, Louisiana）和華盛頓州漢福德（Hanford, Washington）的鐳射干涉儀重力波觀測站（LIGO）探測到。LIGO是由美國國家科學基金資助，並由加州理工學院和麻省理工學院構思、建造及操作。是次重要發現是由LIGO科學合作組（包括GEO合作組及澳洲干涉引力天文協會）及Virgo合作組使用兩台LIGO探測器所得出的數據而完成的，已獲《物理評論快訊》期刊（Physical Review Letters）接受發表。 

基於觀測到的信號，LIGO的科學家們估算出兩個併合黑洞的質量大約分别是太陽質量的29和36倍，併合發生於13億年前。大約3倍於太陽質量的物質在短短1秒之内被轉化成重力波，其功率峰值是整個可見宇宙總功率的50倍。這一束重力波首先到達Livingston探測器，7毫秒之後到達Hanford探測器，這意味著重力波源位於南半球天區。 

根據廣義相對論，一對黑洞在相互繞轉過程中通過重力波輻射而損失能量，逐漸靠近。這一過程可持續數十億年，並在最後幾分鐘裡面急劇加速演化。 在最後一秒鐘內，兩個黑洞以幾乎是一半光速的超高速度碰撞在一起，並形成了一個質量更大的黑洞。根據愛因斯坦的質能方程E = mc2，這個過程中一部分的物質轉化成了能量，而這些能量在最後時刻以重力波超強爆發的形式輻射出去。此次LIGO觀測到的重力波信號就源自於這樣的過程。 

20世紀70年代，羅素·赫爾斯(Russell Hulse)和約瑟夫·泰勒(Joseph Taylor, Jr.) 給出了重力波存在的第一個證據。他們在1974年觀測到一個脈衝星與另一個中子星相互繞轉組成的雙星系統。這個系統由於輻射重力波，導致脈衝星的軌道緩慢的縮小，觀測到的軌道變化率與相對論的預言高度一致。赫爾斯和泰勒的這項工作獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。這個赫爾斯-泰勒雙星系統將於3億年之後併合形成一個黑洞。在最近的這個發現裡，LIGO直接見證了兩個黑洞組成的雙星系統的壽終正寢，在雙星系統形成單個黑洞的瞬間投下匆匆一瞥。 

“我們對於重力波的觀測完成了一項50年前就設定的偉大目標。那就是直接探測到這一難以捕捉的現象，讓我們更好的理解宇宙，以及在愛因斯坦廣義相對論100周年之際恰如其分地續寫愛因斯坦的傳奇。” LIGO實驗室執行官，加州理工學院的戴維·萊茲 (David H. Reitze)稱。 

重力波得以發現，主要是由於LIGO完成升級工作（Advanced LIGO），探測能力獲大大提升。對比第一代LIGO探測器，Advanced LIGO增強了儀器的靈敏度，從而大大增加了可探測的宇宙空間，在其第一次觀測運行便發現重力波。美國國家科學基金會是Advanced LIGO的主要財政支持來源。德國的馬克斯-普朗克學會、英國的科學與技術設施委員會和澳洲研究基金會等資助機構均對是次項目作出了巨大貢獻。德國-英國GEO合作組織負責開發並測試提高探測器敏感度的幾項關鍵技術；AEI的Atlas機群、LIGO實驗室、雪城大學和威斯康辛大學密爾沃基分校貢獻主要的電腦資源；澳洲國立大學，弗羅里達大學，史丹福大學，紐約哥倫比亞大學和路易斯安那州立大學則設計、建造並測試了Advanced LIGO 的關鍵部分。 

 “1992年批准LIGO最初的基金項目是NSF有史以來最大的一筆投資。” NSF主任弗朗斯 ·科多瓦（France Córdova）如是說。”那是一項有很高風險的資助，但這正是NSF需要承擔的專案。我們資助一定會有所發現，但是還在探索歷程上的基礎科學和工程。我們資助開路先鋒。這就是為什麼美國依然是全球先進知識的領導者的原因。” 

LIGO的研究工作由LIGO科學合作組織（LSC）完成，這一合作組織包含來自美國和其他14各國家的1,000多名科學家。LSC中的90多家大學和研究所參與研發了探測器所使用的技術，並分析其產生的資料；約250名做出重要貢獻的成員是學生。LSC的探測網路包括LIGO干涉儀和GEO600探測器。GEO團隊包括來自德國馬克斯-普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所（AEI））、漢諾威萊布尼茲大學與格拉斯哥大學、加迪夫大學、伯明翰大學，其他英國大學以及西班牙巴厘阿裡群島大學。 

“這個探測是一個新紀元的起點：重力波天文學研究領域現在終於不再是紙上談兵了。” LSC發言人，路易斯安那州立大學物理與天文學教授加布裡埃拉·岡薩雷斯（Gabriela González）說。 

LIGO這種用鐳射干涉儀探測重力波的方法最初是在上世紀80年代提出的，主要的提出人包括MIT物理教授、榮休教授雷納·韋斯（Rainer Weiss）；加州理工學院的理查·費曼理論物理講座教授兼榮休教授基普·索恩（Kip Thorne）以及加州理工學院的物理教授兼榮休教授羅奈爾得·德雷弗（Ronald Drever）。 

“這項發現的內容完美地被100年前愛因斯坦發表的廣義相對論所描述，這也是第一次廣義相對論在強引力場條件下的檢驗。如若愛因斯坦泉下有知，真不知道他會作何反應。”韋斯說。                                      

 “通過這項發現， 我們人類開啟了一場波瀾壯闊的新征程：一場對於探索宇宙那彎曲的一面——由彎曲時空而產生的事物和現象——的征程。黑洞的碰撞和重力波是首當其衝的完美範例。” 索恩說。 

處女座重力波探測器（Virgo）的研究工作由Virgo科學合作組織完成，組織由250多名物理學家和工程師組成，分別隸屬於19個不同的歐洲實驗室，包括法國國家科學研究中心（CNRS）的6家研究所、意大利國立天體物理研究所（INFN）的8家研究所、荷蘭國家核子物理及高能物理研究所的2家研究所、匈牙利維格納研究所，波蘭引力研究組，以及Virgo重力波探測器的託管機構，位於意大利比薩（Pisa）附近的歐洲重力天文台。 

Virgo的發言人富爾維奧·裡奇（Fulvio Ricci）稱：”這是物理學的重要里程碑，但更為重要的是，對於LIGO和Virgo來說，這僅僅是它們將開創的全新而激動人心的天體物理發現的開端”。 

馬克斯-普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所）的所長布魯斯·艾倫（Bruce Allen）補充道 “愛因斯坦當初認為重力波太過微弱而無法探測，並且他從未相信過黑洞的存在。不過，我想他並不介意自己在這些問題上弄錯了。”

 “Advanced LIGO探測器是科學與技術上的一項壯舉，匯聚了全球技術人員、工程師和科學家團隊的通力合作才得以實現，”Advanced LIGO的專案領頭人，來自麻省理工的大衛·休梅克（ David Shoemaker）說道: “我們及時、同時也在預算內完成了這項美國國家科學基金會資助的項目，對此我們感到無比自豪。” 

在LIGO的兩個天文台中，全長4公里的L形的LIGO干涉儀將鐳射分成兩束，並在兩個干涉臂之間來回穿梭（1.2米直徑的管道內保持著近乎完美的真空）。兩束鐳射可以用來以極高的精度測量干涉臂末端鏡子的位置。根據愛因斯坦的理論，當重力波經過探測器的時候，鏡子之間的距離將會有一個極微小的改變。而即使這個改變量小於質子直徑的萬分之一（10-19 米），也可以被探測出來。 

 “為了實現這一里程碑式的美妙發現，全球的科學家們一起合作——在GEO600探測器上開發出來的鐳射與懸掛減震技術使得Advanced LIGO成為了有史以來人類建造的最為精妙、靈敏的重力波探測器”。 格拉斯哥大學物理與天文教授希拉·羅恩（Sheila Rowan）如是說。 

對於重力波事件的方向定位，以及排除局部雜訊、確認信號來自宇宙空間而言，獨立而又地理位置相距遠的天文台非常重要。 

 “但願這第一次的觀測能夠推動全球重力波探測器網絡的建設工作，並在多信使天文學的時代加速實現信號源的精準定位。”澳大利亞國立大學的引力物理中心主任，物理學教授 大衛·麥克萊蘭（David McClelland）評論道。