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黑洞藍調 諾貝爾獎LIGO團隊探索重力波五十年,人類對宇宙最執著的傾聽

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內容簡介 / 名人推薦

  • 2017年諾貝爾物理學獎得主基普.索恩等科學家與LIGO科學家們相知相惜,才華洋溢的動人故事
  • 電影《星際效應》中,人類捕捉到重力波、和宇宙溝通的熱血真實版
  • 證明了愛因斯坦的天才預言,補足了廣義相對論缺失的「最後一塊拼圖」
  • 一本了解黑洞與相對論發展的最前沿天文物理學科普讀本
  • 一百年來的重力波探測編年史,為人類探索宇宙生成開闢了全新的觀測方式

 

「在宇宙上演的不是一齣默劇,因為宇宙其實不是一片死寂。」

──珍娜.萊文

 

這是人類對宇宙最靈敏、最執著的傾耳細聽……

一群科學家天才奇想,冀圖捕捉宇宙重力波傳來的微弱「聲音」,

另闢蹊徑證實了黑洞的存在,以及宇宙起源的在場證明……

 

LIGO科學家捕捉到重力波的重大成就,如同伽利略發明了望遠鏡,

我們得以透過重力波這位「新任宇宙信使」,探索前所未知的宇宙理論,

重新理解宇宙的誕生。

 

一九一六年,愛因斯坦預測了重力波的存在。一世紀之後,人類記錄到來自太空的第一波聲音,證明由黑洞碰撞造成的重力波確實存在,而探測到重力波的LIGO科學團隊成員萊納.魏斯、基普.索恩以及巴里.巴利許,也因此重大成就獲得二○一七年諾貝爾物理學獎。

到底是什麼樣的瘋狂團隊做出的天才豪賭,想要在相當於地球周長一千億倍的距離範圍內,測量出比人頭髮的直徑還要小的變化?而留給測量的時間或許不到一秒鐘。而且,沒有人知道這種極微小的變化何時會發生……

本書作者珍娜.萊文先從人和故事出發,描繪了主導LIGO計畫的首席科學家們各自的文化背景與鮮明個性,如何左右計劃的成敗,彷彿是美劇《宅男行不行》的進階真人版,之後再讓科學現身,直到最後科學與人合而為一,翔實的調查與如歌的寫作,呈現近五十年來精彩的重力波科學探測史。

像是LIGO 的靈魂人物萊納.魏斯,自小就沉迷音響,曾為了追求愛情輟學並苦學鋼琴,還因為不懂相對論卻又要授課,只好絞盡腦汁想出一些「思想實驗」來解釋抽象艱澀的理論,這些經歷因此讓他發想出 LIGO 實驗的主體設計。基普.索恩雖然出生於教規嚴格的摩門教家庭,卻崇尚波希米亞式的自由之風,他另闢蹊徑沉思宇宙,提出經由探測重力波發出的聲音,也多虧他的前瞻眼光,才讓計畫好幾次免於夭折。另一位來自蘇格蘭的科學家朗納.德瑞福才華橫溢卻個性瘋狂,有著「科學界莫札特」的稱號,但他暴躁的脾氣卻難以跟其他科學家合作,最後甚至被踢出LIGO團隊抑鬱而終。一般咸信若他還在世,諾貝爾物理學獎一定有他一份。

這幾位主導LIGO 的科學家跟一般人一樣都有性格上的缺陷,卻能彼此相知相惜,正是這般人性與科學摩擦碰撞的熱力,五十年來持續支撐了這個遠大的科學計畫。即便LIGO成立以來歷經波折,先是研究成員被懷疑是蘇聯間諜而被FBI跟監,龐大的計畫與開支長期遭到各種無情的攻擊、質疑與奚落,甚至團隊內部還曾為了德瑞福的去留而分裂成兩派。作者以第一手採訪,引人入勝的筆觸,娓娓敘說其間的驚奇、失望、成就、風險,描繪出一幅史無前例的現代科學面貌。

本書是一部重力波編年史,一份宇宙歷史的聲音紀錄,一場無聲電影的配樂,要向一次異想天開、氣勢恢宏而充滿艱辛的實驗壯舉獻上敬意,並且稱頌那份鍥而不捨的科學壯志。

卜宏毅(加拿大圓周理論物理研究所博士後研究員)名詞審校

游輝樟(國立成功大學物理學系教授) 專文導讀

江國興(國立清華大學天文研究所教授)

余海禮(中研院物理所研究員)

  翊(國立中央大學天文研究所教授)

高涌泉(國立臺灣大學物理學系教授)

陳文屏(國立中央大學天文所講座教授)

黃崇源(國立中央大學天文研究所教授)           專業推薦 

媒體佳評

「一個魅力非凡的說故事的人……珍娜.萊文以出色的技巧,將科學與生活和諧交融。」──《紐約時報》書評

「頂級之作……對於有興趣瞭解科學如何運作,並關注人類想像力與才能所具有之力量的人,本書都是一部傑作。」──《華爾街日報》

「詩意之作……讓讀者禁不住一起分享作者的驚訝、擔憂與同情。」──《紐約書評》

「充滿趣味與灼見……生動描繪的人物與性格衝突,讓人一讀便迅速入迷。」──《富比士》雜誌

「關於呈現科學發現幕後的心傷與艱苦,恐怕再也想不出有比本書更精彩的敘事方式了。《黑洞藍調》在科學、說故事和深知灼見之間,取得近乎完美的平衡,行文清晰透徹,快意十足。」──《新政治家》雜誌(New Statesman)

「珍娜.萊文以清楚易懂的方式闡明這項成就的科學要點,並呈現支持好幾代科學家走上這條追尋道路的深刻個人執迷。她也成功描繪了達成這項成果必須支付的成本──不僅是財務成本(這是大科學最真實的定義),許多時候,也要付出個人代價……發人深省。」──《自然》雜誌

「我所讀過最令人著迷、寫作最優美的書之一……珍娜.萊文透過特定事件揭開宇宙奧祕,以小說家的才情,記述這項科學上的勝利,道出一個更龐大的故事,涉及人類的精神、面對無數阻礙的堅定獨創性,還有那份有點神祕、非理性的驅動力,驅使科學家為這項壯舉奉獻一生,在過程中飽受不確定性、頻繁失敗、大眾正面評價不足的折磨。」──瑪麗亞.波普娃(Maria Popova),「智慧選擇」網站www.brainpickings.org

「珍娜.萊文反轉了慣常公式,她先從人和故事出發,再讓科學現身,直到最後科學與人合而為一……巧妙絕倫。」──《週日泰晤士報》

「珍娜.萊文完美再現一項大規模科學實驗快步調、前瞻性、反官僚的氛圍,但她也把幾十年來有時可能危害到實驗成功的人際紛爭赤裸裸攤開。作者善於融合背景脈絡來呈現人的特質,他們面對的不是只侷限於物理學實驗的範疇,而是令人眼花撩亂的各種利害關係──當然從一開始便攸關取得諾貝爾獎的成敗。這份書寫「人」的能耐,讓她對開路先鋒們的描繪顯得格外動人。」──《科克斯書評》(Kirkus Reviews)星級評論

「如小說般引人入勝……這本書富感染力、風趣,充滿適時又深入的洞察,是我讀過最真實描寫科學探究活動的精彩著作。」──科普作家麥克.布魯克斯(Michael Brooks),《新政治家》雜誌「二○一六年度選書」

「珍娜.萊文這本書文風優美、明晰易懂,適時讓我們知道一項可能為人類對宇宙的瞭解開啟全新篇章的非凡成就,究竟是如何達成的。」──《週日郵報》

「任何有意以科學為業的人,或是熱切想知道科學的新領域如何向前推展的人,本書都值得一讀為快。」──《舊金山書評》

「重力波被視為現代宇宙學的聖杯和宇宙的電影配樂,難以捉摸……珍娜.萊文講述過去五十年來對重力波的戲劇性探索,這個故事一直都只有深入參與計畫的人才知道,直到現在。」──美國國家公共廣播電台(NPR)

「熱烈……辛酸……迷人……值得一說的故事。」──《科學雜誌》

科學界推崇

「閱讀珍娜.萊文這本書是一次愉悅的享受。她以幽默、理解的筆調,描寫了從天文學來源偵測重力波的研究計畫背後的人文故事,介紹了一群滿懷希望、堅毅執著的科學家。多年來,他們一直在科技前線奮戰,不斷改進機器的靈敏度,努力探測阿爾伯特.愛因斯坦於一九一六年預言的重力波,並在他提出概念一世紀之後有了重大發現。作為一名專業的天文物理學者和黑洞現象學專家,對於計畫所達成的非凡成就,她的解釋深入淺出,生動易讀。」

──萊納.魏斯,麻省理工學院物理學系榮譽退休教授

 「這部文筆優美的著作引領讀者打開通往宇宙的『重力波之窗』,探索宇宙變形的奧祕:黑洞碰撞與時空彎曲引發的其他天文現象。作為重力波探索活動的參與者,我為珍娜.萊文的表現喝彩,她把我們的願景、奮鬥過程,以及在成功道路上克服一切艱難險阻的精神都刻劃得淋漓盡致。」

──基普.索恩,著名理論物理學家、《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》作者

「如果開創荒誕新聞學的亨特.湯普森(Hunter Thompson)擠出時間攻讀了物理學博士學位,並且對重力波產生了濃厚興趣,他就有可能寫出這樣一本書。當然,這只是假設。珍娜.萊文的這部著作睿智、新穎,道出了重力波科學家的心聲。」

──艾倫.萊特曼(Alan Lightman),麻省理工學院人文學科教授、《偶然的宇宙》作者

「這部精彩的作品是科學與真實電影的結合體。珍娜.萊文把我們帶進了一個令人陶醉的世界:科學家絞盡腦汁,試圖探測宇宙最微弱的低語──重力波。故事的主線是傾聽……有史以來最靈敏、最堅決、最執著的傾耳細聽。作者的觀察深入敏銳,文筆情感洋溢,對這場科學追尋的描寫將深深打動你心。」

──史蒂芬.斯托蓋茨(Steven Strogatz),康奈爾大學數學系教授、《X的奇幻旅程》作者

 

【譯者簡介】

胡小銳、萬慧/譯

胡小銳,安徽桐城人,二○○二年四月畢業於上海外國語大學英語語言文學專業,碩士。長期從事教育與翻譯工作,譯作有《魔鬼數學》、《品格之路》、《大數據主義》、《電的科學史》等。

萬慧,女,一九八七年九月出生,安徽合肥人,外國語言學碩士研究生,曾出版譯著《算法之美》及多篇理論和實踐研究論文。

目錄

作者序

推薦序

第一章 黑洞碰撞

第二章 宇宙的聲音

第三章廣義相對論

第四章引力波探測先驅

第五章錯誤的宣言

第六章 「四十米」實驗室

第七章 藍皮書與三巨頭

第八章 發現脈衝星

第九章 實驗室裡的開拓者

第十章 漢福德天文台

第十一章 臭鼬工廠

第十二章 霍金的賭局

第十三章 羅生門事件

第十四章 利文斯頓天文台

第十五章 一群探索宇宙奧秘的人

第十六章 與時間賽跑

尾聲

內容摘文

第一章:黑洞碰撞

在宇宙的某個地方,兩個黑洞發生了碰撞。這兩個黑洞與恆星的質量差不多,體積只有一般城市那麼大,是名符其實的黑洞(裡面空蕩蕩的,沒有一絲光)。在碰撞發生前的最後幾秒鐘裡,它們在重力束縛下一起繞著最終接觸點完成了數千次的旋轉,使時空發生了劇烈震盪。碰撞之後,這兩個黑洞合併起來,形成了一個更大的黑洞。黑洞碰撞是宇宙誕生之後威力最大的一個現象,釋放出的能量超過1021個太陽的能量。碰撞發生時一片黑暗,撞擊所爆發的能量都不會以光的形式逸出,所以用任何望遠鏡都無法觀察到。

黑洞合併時,無數能量以純重力的形式放射而出,時空的形狀泛起漣漪,也就是重力波。即使有太空人正好在附近也不會看見任何異常現象。不過,她所在的空間也會隨之震盪,對她擠壓、拉伸,使她的身形發生變化。如果靠得夠近,她的聽覺機制會隨之振動,也就是說,她可以聽見重力波。在空無一物的黑暗中,她可以聽見時空發出的聲音(如果黑洞沒有奪走她的生命)。重力波就像不需要物質媒介的聲音,在黑洞相互碰撞時,就會發出這樣的聲音。

沒有人聽過重力波的聲音,也沒有任何儀器留下清楚無誤的紀錄。重力波以光速傳播,從碰撞點傳導到地球可能需要十億年的時間。而且在到達地球之前,黑洞碰撞發出的聲音已經微弱到難以察覺了,甚至比這種程度的微弱還小聲,以至於用語言根本無法形容。在重力波抵達地球時,空間的震盪會引起距離的相對變化,在相當於三個地球並排的跨距上位移了一個原子核的寬度 。

半個世紀之前,一股記錄天空中各種聲音的潮流悄然興起。LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,雷射干涉儀重力波天文臺)是美國國家科學基金會(NSF,為基礎性科學研究提供支持的美國聯邦政府獨立機構)迄今為止投入最多資金的項目。有兩部LIGO探測器,一部位於華盛頓州漢福德(Hanford),另一部在路易斯安那州利文斯頓(Livingston),各佔地四平方公里。LIGO的整體成本超過十億美元,參與合作的全球科學家和工程師有數百人之多,是所在專業領域和幾十年來科技創新的累積成果。

在過去幾年裡,為了提升探測能力,這兩臺機器都處於離線狀態。一名實驗人員告訴我,機器的所有部件都被更換了,除了那個空空如也的管道──真空管。與此同時,世界各地的研究團隊都在進行計算,希望可以預測宇宙最喧鬧的狀態何時到來。理論學家則利用這幾年期間設計數據演算法,建立資料庫,並想盡辦法充分利用這些工具。為了「在相當於地球周長一千億倍的距離範圍內測量出比人頭髮的直徑還要小的變化」,許多科學家全身心地投入其中。

如果探測到重力波,人們有望在隨後幾年裡取得豐碩的成果,因此位於地球上的天文臺渴望記錄天文鉅變從不同方向、不同距離傳到地球上的聲音。死亡恆星發生碰撞,古老的恆星發生爆炸,還有曾經發生的宇宙大爆炸,所有這些高衝擊強度的混亂狀況都有可能引起時空震盪。從伽利略用一架簡陋的望遠鏡觀察太陽開始,人類把四百年來拍攝的一系列靜止的天空照片,彙編成一部講述宇宙歷史的無聲電影。在這些天文臺的使用期間,科學家們將為這部電影配上一首不是很悅耳卻非常熱鬧的主題曲。

在這個嘗試測量時空形狀微弱變化的具有里程碑意義的實驗中,我身兼數職:首先是作為一名科學家,希望為一個龐大的科學領域做出自己的貢獻;其次是作為一名初學者,希望深入瞭解這部不熟悉的探測器;最後是作為一名作者,希望記載人類首次取得的黑洞紀錄。隨著全球爭相建造重力波天文臺的熱度逐漸消減,這個領域即將有重大發現的前景,更加牢牢地吸引了人們的注意。不過,仍然有人強烈懷疑它最終能否取得成功。

*  *  *

 

儘管在開始的時候,LIGO面臨諸多困難:爭議不斷,權威科學家表示反對,團隊內部鬥爭十分激烈,技術上也一籌莫展。但是,LIGO沒有被擊垮,而是擺脫了陰影,持續茁壯,按著推算進行,不斷變強。五十年前,使用一個無比龐大的機器去捕捉極其微弱的聲音,還僅僅是實驗追求的夢想,而現在已經萬事俱備,只欠東風了。在一九六○年代,這個靈光乍現的構想是一個思想實驗,彷彿一首令人莞爾的俳句,而現在它已經變成由金屬和玻璃製成的實物。二○一五年秋,在愛因斯坦(Albert Einstein)發表以數學式描述重力波的一百年後,改良的LIGO開始記錄太空傳來的聲音。在一、兩年(也有可能是三年)之內,這些儀器就會達到最靈敏的狀態。上一代的機器證明這個概念是可行的,但成功卻非唾手可得,因為大自然並不總是按人類的意願行事。這些先進的機器可以自動鎖定目標,也可以由人來完成調整、修正、校準等操作。如今,這些機器等待著捕捉某個非同尋常的信號,科學家們也摒除疑念,堅持完成最後的工作。

本書是一部重力波編年史(是宇宙歷史的有聲紀錄,也是為那部無聲電影譜寫的配樂),同時是獻給那些矢志不渝、費力勞心的實驗人員的一首讚歌,禮讚那份愚公移山般的科學精神。

評論

延伸內容

作者 TED 演講:宇宙發出的聲音(有中文字幕)

 

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