永恆的對稱:艾瑪.諾特(Emmy Noether)

艾瑪.諾特(Emmy Noether, 1882 – 1935)是個才能非常出眾的女性數學家,愛因斯坦稱她為史上最重要的數學家。她的研究解答了一個非常深刻的物理問題:為什麼我們的宇宙中存在能量守恆、動量守恆等守恆定律?

諾特生於德國巴伐利亞城市埃朗根(Erlangen),父親是位數學教授。她本來打算畢業後當法文和英文老師,但後來改變主意,進入他父親工作的埃朗根大學(Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg)攻讀數學。她在 1907 年取得博士學位,著名的數學家大衛.希爾伯特(David Hilbert, 1862 – 1943)看見她的數學才華,希望把她聘到哥廷根大學(Georg-August-Universität Göttingen)做私人講師(Privatdozent,德國的一種講師資格,卻不一定是支薪的)。可是,哥廷根大學哲學系反對聘請諾特,他們說:「若然我們的軍士打仗回國,卻發現他們要接受一個女人的教導,他們會有何感想?」而且,他們不希望一個女人有資格在大學評議會中投票。

面對攻擊諾特的性別歧視,忿怒的希爾伯特反擊道:「我看不出申請人的性別是反對她成為私人講師的理由。畢竟,評議會並非澡堂。」

“I do not see that the sex of the candidate is an argument against her admission as a Privatdozent. After all, the Senate is not a bath-house.” – David Hilbert

儘管諾特得到希爾伯特的支持,哥廷根大學始終不肯聘請她。往後 7 年間,她在埃朗根數學院(Mathematical Institute of Erlangen)工作,而且是不支薪的。有時候,當她父親病倒了,她會代替他在埃朗根大學授課。直到 1915 年,希爾伯特和菲力斯.祈因(Felix Klein, 1849 – 1925)邀請她到哥廷根大學,以希爾伯特的名義講課。最後在 1919 年,哥廷根大學終於正式聘請諾特做私人講師。

諾特在數學中有很多重要的貢獻,而其中最著名的莫過於諾特定理(Noether’s Theorem):每個物理作用量的可微分對稱,都存在一個對應的守恆定律。簡單來說,諾特定理說物理守恆定律來自物理定律的對稱性。用更簡明的語言來說,就是如果物理定律在座標轉換後維持不變,那麼這個轉換背後就藏著一個守恆定律。例如,我們向著哪個方向做實驗都得到一樣的結果,這就代表了角動量守恆定律;我們在今天、昨天或明天做實驗結果都相同,這是因為能量守恆定律;動量守恆定律則使我們在宇宙中哪裡做實驗都沒有分別。

諾特定理對發展新的物理理論很有幫助。物理學家只要找出物理問題的對稱性,就能夠知道守恆的物理量;反之,也可以由守恆定律出發,推導出物理系統的運動方程。

諾特經常與同事合作研究,而且她的研究興趣非常廣泛。她的專長是抽象代數(abstract algebra),不過有時候在非專業的領域中,諾特也做出了不少貢獻。而且,她對分享知識和看法也毫不吝嗇,不會把想法收起來,而是會大方地與其他數學家討論,哪怕對方是同領域上的「對手」。有幾次,同行數學家用了諾特的想法發表論文,諾特也毫不介意。

諾特的研究和教學態度也廣受好評。儘管有時她會因為數學問題而與別人大吵一場,她的立場始終是針對數學而非針對個人。有次,她的兩個女學生留意到諾特的頭髮亂了,想上前提醍她,但她正在和其他學生討論數學,以致在兩小時內兩個女學生也找不到空間打斷諾特的討論。然而,諾特的課堂並不太有條理,她通常用課堂時間和學生討論最前沿的數學問題,有時她的講義內容甚至超越了當代領域的最新研究,這使有些學生感覺跟不上。不過諾特對學生非常關心,她的學生會稱她做「論文母親」,其他人也叫諾特的學生做「諾特的孩子」。

1933 年,納粹在德國橫行無道,擁有猶太血統的諾特被哥廷根大學開除。她移民到美國,在賓夕法尼亞州博懋學院(Bryn Mawr College)繼續做研究。可惜的是於 1935 年,她被診斷出有個卵巢囊腫,要入院做手術切除。手術之後三天,諾特情況慢慢好轉,然而在第四天她突然發高燒並陷入昏迷,未幾離世,享年 53 歲。

諾特受盡歧視,然而數學、科學發現都不會因身份、性別、種族或任何取向而改變。諾特與對稱,將一同永垂青史。

重力波GW170104再證愛因斯坦理論正確

才剛寫好一篇關於愛因斯坦廣義相對論的文章,美國的激光干涉重力波天文台(LIGO)又再發表論文,宣佈第三次探測到來自雙黑洞結合產生的重力波 GW170104。論文通過同儕審查,刊登在 Physical Review Letters

重力波是極大質量扭曲時空而產生的時空漣漪。根據廣義相對論,質量會令時空彎曲,這就是萬有引力的成因。如果極大質量以特定方式運動,其扭曲時空的效果就會形成波動,把能量以光速向外輻射開去。

與前兩次重力波 GW150914 和 GW151226 一樣,這次探測到的重力波來自雙黑洞結合系統,命名為 GW170104。兩個黑洞的質量分別為 31 和 19 太陽質量,它們互相環繞運動,越轉越快,最終碰撞結合成一個 49 太陽質量的黑洞。在此過程中,相等於約兩個太陽質量的能量的重力波會向四面八方輻射,比任何時刻宇宙中所有星系和恆星輻射的能量更高。

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X射線望遠鏡發現的黑洞大小(紫色)和 LIGO 發現的黑洞大小(藍色)。Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

然而,比起 GW150914 和 GW151226,GW170104 的雙黑洞來自 30 億光年以外,是 GW150914 和 GW151226 距離的兩倍以上。而且,這次結合得出的黑洞質量正好介乎前兩次的數值之間,使物理學家確認 20 倍太陽質量的黑洞族群確實存在。在 LIGO 探測到重力波之前,根據 X 射線望遠鏡的觀測,我們從未發現過 20 倍或以上太陽質量的恆星質量黑洞(stellar-mass black hole)。

隨著 2018 年歐洲的 Virgo 探測器將開始運作、而且 LIGO 將再次升級,探測重力波的靈敏度將會再次提高。屆時,科學家或許能夠探測到期待已久、來自中子星雙星系統或中子星-黑洞系統的重力波。物理學家預測,涉及中子星的結合事件除了重力波外,亦會釋放出高能量的電磁輻射如 X 射線和伽瑪射線,稱為伽瑪射線暴。同時探測到來自同一系統的重力波和電磁波,可以提高探測的可信性外,也能幫助天體物理學家分辨各種星體模型,有助了解這些極端星體的物理和演化。

GW170104 還告訴了我們很多訊息。例如,這次結合的兩個黑洞,至少有一個的自轉並非與它們互繞的平面方向相同。換句話說,至少其中一個黑洞的自轉軸是傾斜了的,就好像地球的自轉與公轉平面之間有個夾角一樣。這個發現,顯示兩個黑洞可能並非於同一雙星系統中誕生,而是在誕生後才互相捕捉,形成雙黑洞系統。

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GW170104 的探測數據(灰色)、其小波分析結果(橙色)和雙黑洞電腦模擬結果(藍色)。上下分別為位於 Hanford, Washington 和 Livingston, Louisiana 兩座 LIGO 天文台的訊號。Abbott et al. (2017).

另外,研究員亦確認了愛因斯坦的重力波預言準備無誤。重力波與電磁波不同,不會發生色散現象。色散其實就是光線穿過介質後分開成各種顏色的現象,就如太陽光穿過雨後的水珠形成彩虹一樣。LIGO 沒有發現任何重力波發生色散的證據,愛因斯坦的廣義相對論又再下一城。

美國的 LIGO 團隊與歐洲的 Virgo 團隊合作,迄今已經探測到三個重力波和一個低可信性的疑似重力波。這兩個研究團隊人數過千,成員來自全球各地,也包括來自香港的研究員。作為研究伽瑪射線暴的天體物理學家,我期待探測到伴隨伽瑪射線暴的重力波,這將會是人類科學文明的極重要里程碑。

封面圖片:畫家想像的 GW170104 雙黑洞系統,圖中黑洞的自轉軸與互繞平面方向不同。Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

延伸閲讀:

LIGO 論文:Abbott et al., “GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2”, Phys. Rev. Lett. 118, 221101

LIGO 官方新聞稿:GW170104 Press Release LIGO Detects Gravitational Waves for Third Time Results confirm new population of black holes

我以往關於重力波的文章:
重力波:愛因斯坦的最後預言 (上)
重力波:愛因斯坦的最後預言 (中)
重力波:愛因斯坦的最後預言 (下)
銀河消息:人類首次聆聽重力波
愛因斯坦教授 你是正確的
重力波:2016年邵逸夫天文學奬