《重力的幽靈》譯者序

作者：劉怡維、秦先玉

本書書封由左岸文化提供

2000年，譯者之一剛完成博士學業，主攻雷射與原子物理，以及精密量測。作為一個新科博士，接下來是要找個博士後研究的工作。記得當時翻開物理求職主要管道《今日物理》（Physics Today）的求職欄，總是會看到「雷射干涉儀重力波觀測站」（LIGO）計畫徵求研究員，那正好與我的專長相符。時值LIGO計畫草創階段，距離真正有機會偵測到重力波的進階版LIGO（AdLIGO），尚有許多艱難的技術挑戰，需要瘋狂奇想，以及熱血的科學家。這樣的廣告相當誘人，它是個偉大且令人著迷的計畫，有超強超穩定的雷射，令人讚嘆的機械懸吊系統，不可思議的4公里巨大干涉儀（一般實驗的干涉儀頂多幾公尺）。觀測重力波，更是一件讓人類開啟「天眼」的工作！實驗物理學家對於這種追求極致、世界奇觀式的實驗，是很難抗拒的。然而，它的令人著迷之處，也是令人害怕之處。它真的可行嗎？它會成功嗎？那些天花亂墜的技術是可能的嗎？會不會到我六十五歲退休之際，它還在掙扎？我能有論文發表嗎？學術生涯要何以為繼？萬一計畫被砍了怎麼辦？種種疑問與擔憂，我膽怯了，選擇了另一個較為「安全」的研究課題。我羨慕著勇於投入的科學家，像是大航海時代的冒險家，有著冒險精神，堅強的意志，過程中歷經許多的挫折、唱衰和懷疑。最戲劇性與令人感動的是，最後他們真的到達了那個許諾之地，偵測到了重力波。

2015 年9 月14 日GW150914 事件，人類首次偵測到重力波，指的是兩個巨大的黑洞相互繞轉靠近，形成內漩運動，終至合併所造成的時空漣漪。隨後，又偵測到了數次的雙黑洞重力波信號。然而，黑洞重力波除重力之外，並無其他相應的電磁波信號可為佐證。直到2017 年8 月17 日GW170817 事件，一個長達100秒的重力波信號被偵測到，這次是由雙中子星所造成的。於是，LIGO向全球各地的天文台發出通報信號。NASA的費米伽瑪射線太空望遠鏡，隨後在相同方位偵測到巨大的伽瑪射線暴，一個對應的電磁波信號。自此，重力波偵測再也無庸置疑。它不僅僅驗證了愛因斯坦的廣義相對論，更讓人類張開了另一隻眼，「看見」從未探索過的新世界，對宇宙的了解進入了一個新的紀元，多年前所諾許的重力波天文學終於實現。三位領導LIGO計畫的科學家，巴里．巴利許（Barry Barish）、基普．索恩（Kip Thorne）、和萊納．魏斯（Rainer Weiss），獲頒2017 年的物理諾貝爾獎。

本書所描述是這一整個冒險過程中的一個片段，2007 年9月開始的「秋分事件」。【註1】它是一場重力波偵測的「演習」，透過一個人為刻意製造出來的假信號，所謂的「盲植」，目的是為了測試整個合作團隊，從統計分析程序，到團隊間的協調合作。這個做法像是一場逼真的軍事演習，長達數月，信號是真或假，直到最後一刻才會揭曉。期間，科學家們都懸宕在真真假假的猶疑之間。顯然，這樣的做法在一般科學研究中並不常見。柯林斯分析，這更產生了許多預期之外的作用，反差出當時科學家各種不同的心態，從而影響他們的科學判斷。這無損於我們透過這事件，觀察探索科學家如何進行科學活動。而與真正的首次偵測保持一段距離，可以讓我們避免過度興奮沉溺，能夠更「冷靜地」看待整個過程。透過這個片段，我們可以看到這群航行於科學大海上的冒險家，他們在同一條船上，各司其責並互相合作，卻也相互算計著對方，爭功諉過。茫茫大海上目標渺茫不可見，他們如何決定前進的方向？他們進行的是貨真價實的科學活動，但卻不是一般所認知的方式：遵循著SOP，或所謂科學實驗步驟。相反地，他們相互爭論，關鍵時刻無所可遵循時，例如飛機雜訊是否放入上限論文的爭辯，最後必須開會投票表決。

本書作者哈利．柯林斯，著名科學社會學家，創建巴斯學派（Bath School），目前是卡地夫大學（Cardiff university）特聘教授，英國國家學術院（British Academy）院士。柯林斯自70 年代就已開始進行重力波社群田野調查，重力波研究儀器從重力棒推進到干涉儀，最後偵測成功，他也隨之先後發表了四本主要著作。【註2】柯林斯花費長達四十年時間浸淫於該領域，終能與物理學專家們以「物理學的語言」交談，取得了科學家們的信任，得以參與他們最高層的會議，儼然成為其中一分子，成為他自詡的「互動型專家」（interactional expert）。本書對重力波物理的描述介紹，深入淺出，詳盡而精確。對科學活動的精髓掌握精確，批判切重要點。相當不同於一般的科普書籍；它更是一本重要的科學社會學著作，處處充滿著科學哲學與方法論的反思。以下將先簡介重力波干涉儀，作為理解重力波偵測的背景，接著介紹本書閱讀幾種可能的視角。

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用來偵測重力波的干涉儀，是眾所皆知的邁克森干涉儀。邁克森干涉儀的構造原理相對簡單，但在現代物理學中卻有著極為重要的角色。除了作為重力波的偵測器外，它也是19 世紀末邁克森（Albert Abraham Michelson）與莫雷（Edward Morley）測量光速與驗證以太時的工具。他們在當時並未如預期般的量測到以太風，邁克森與莫雷的實驗是「失敗」的。他們發現光速在任何慣性座標下皆為定值，與過去以牛頓－伽利略為基礎的古典物理以太理論不相容，隨後這反而成為支持愛因斯坦狹義相對論的重要證據。邁克森干涉儀是由兩道相互垂直、在鏡片間不斷來回反射的光臂所構成。這兩道光最後交疊形成干涉。兩道光的交疊會使得光的強度變得更加明亮，或是變暗（ 建設性干涉，或是破壞性干涉）。這將由兩個光臂的相對長度決定，光臂的長度也就是鏡片間的距離。反過來說，干涉的明暗程度可以用來量測兩個光臂的相對長度。這樣的干涉現象經常用來量測各種與長度相關的物理量，如光速、重力，以及各種基本物理量。因為光波本身長度的尺度已經是次微米等級，它也就是大自然給予的一支超精密尺。若能附加運用一些實驗技巧，就可以達到更精密的奈米、飛米，或更小的尺度。

重力波干涉儀基本上就是一個超大的邁克森干涉儀，光臂長達數百公尺到數公里等級。光臂越長，能偵測的相對長度變化就越靈敏，LIGO的光臂長達4公里。LIGO同時也改良強化了傳統的邁克森干涉儀，主要是增加了兩個輸入鏡片（或稱為輸入端測試質量，input test mass），將兩個光臂進化為兩個「法布立－培若共振腔」（Fabry-Pérot cavity），讓雷射光可以在鏡片之間來回反射達

280次，等效上將光臂加長了280倍，也就是1120公里！重力波干涉儀經由上述的干涉造成的明暗，偵測到鏡片間長度變化，一旦長度有變化，就會透過回饋機制修正鏡片的位置，抵銷改變長度的外在力量。外在干擾力量越大，回饋的信號就越大。於是，記錄下回饋信號的大小，就可以得知外在干擾力量的大小。維持在這樣的「干擾－回饋－修正」的狀態下，稱之為「鎖定」。只有處在這樣的狀態之下（科學模式），干涉儀才能進行量測。它所得到的原始數據，也就是鎖定狀態下的回饋信號，那是一連串高高低低，快速變化的數字串流。用圖形表示的話，看起來就是一堆雜草般線條。

由左岸文化提供

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關於閱讀本書，以下提出三種不同的視角。首先是一般讀者，不論是科學或是人文背景的讀者，都可以透過作者深入淺出的介紹，了解重力波研究工作與背後的故事；再來是物理相關科系學生，本書對現代實驗物理的深刻探討，涉及許多實驗物理學家日常工作的原則與方法，具有物理相關訓練，特別是有意要從事前沿實驗物理工作者，本書可謂入門書籍。特別是書中指出牛頓科學模型並不具有科學代表性，其意義值得深思。

第三類讀者是科技與社會相關領域者。本書不只可視為科學社會學田野調查方法論的教材，也是一本對第二波科技與社會研究的社會建構論反思之作。在一連串的重力波偵測事件中，注意作者何以特別選擇了秋分事件，正是因為它觸及了科學社會學的幾個重要議題，例如即便在物理學界，確認所「發現」是一件相當困難的事，是謂在發現的邊緣上。造成前述干涉儀鏡片間距離改變的因素，除了重力波之外，還有很多其他因素，例如地震、車輛、爆炸⋯⋯，都會造成地面或大或小的震動，使得它感染上雜訊。解決振動問題的方式，實驗上首先要建立極為穩定的機械裝置與懸吊系統，進而穩定鏡片的位置。不過，仍然有很多振動干擾的雜訊，並無法以實驗儀器的手段加以排除。這些雜訊，因為來自外部對鏡片所造成的瞬間晃動，所以看起來就像是一根一根突起的小針，即是本書中所說的「瞬變干擾」（glitch）。這些「瞬變干擾」只能透過「事後」「離線」（off line）的各種數學統計、演算法，與波形配對方法加以濾除，才能解析出真正的重力波信號。有各種不同數據分析手法的組合，一套組合稱為一個分析程序（pipeline）。雖然這些分析手法是根據物理原理與儀器特性等所擬定，但是仍有相當大的人為介入空間，例如個人的喜好與成見，就可能會造成數據分析的偏置（bias）。這樣的偏置如何避免？可能避免嗎？這些手段方法的探討，以及所衍生出的科學社會學，與科學哲學的意涵，構成了本書一個主軸。柯林斯試圖揭示「量化」的中性表象背後，人為判斷的關鍵角色。

其次，柯林斯對於重力波偵測之父給予歷史新定位，一來指出科學社群在實驗方法上的爭辯或是對立，以此案例說明其實與經費補助爭取有相當大關聯性。二來推崇科學家的硬頸精神，為其第三波理論找到紮實的論據。偵測重力波的實驗方法與儀器設備，如今已被加以確認與驗證可行，這一切都源起於勇敢的科學冒險家，約瑟夫．韋伯。他在四十年前勇於投入重力波物理，其難度或可對應於當代登陸火星的規畫。雖然韋伯晚年在物理學界處處受到排擠，一直到他死後，其投射出的陰影依然籠罩著整個重力波物理學界。【註3】對於這個糾結地描述，構成本書前三分之一的主題，同時也是貫穿本書的主軸。韋伯的名聲在當年雖然毀壞殆盡，柯林斯卻重新評價他在重力波物理上的貢獻。本書寫作於2009 年，竟準確地預測了韋伯在2016 年的歷史重新定位，宛如精準的預言書。韋伯逝世於2000 年，他對重力波的貢獻，逐漸受到認可，甚至被稱為重力波偵測之父，特別是他的實驗儀器還是重力棒舊技術。為表彰他的貢獻，在LIGO於2016年舉行的重力波首次偵測記者會上，韋伯的妻子維吉尼亞．路易絲．特伯爾（Virginia Louise Trimble）受邀出席，坐在第一排的貴賓席上，柯林斯推波助瀾之功，不可忽視。

當然，自70 年代興起的科技與社會（Science, Technology, and Society, STS），至今成為一個影響力重大的跨領域學科，柯林斯在整個思潮的興起與承接上亦扮演著重要角色。他以重力波研究為基礎，對現代社會中專家與專業應該扮演的角色提出看法。當今科技對社會生活的滲透日益深刻，科技政策往往關聯到政治，該如何看待科學、技術、專家？全面接受？斷然排斥？公民科學與常民專家是否可能？這些問題皆可從本書的田野方法中得到啟發。

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最後，則是關於重力波偵測這一個跨國的超大型計畫現況。當前全球的重力波干涉儀，除了LIGO（美國）之外，還有Virgo（義大利與法國），規模較小的GEO 600（德國與英國），建造中的KAGRA（日本），以及計畫中的印度LIGO。未來當這幾個偵測器同時運作時，就可以形成一個重力波偵測網絡，利用三角定位法標定出重力波源的正確位置。國立清華大學物理系與天文所也參與了日本的KAGRA重力波團隊，成為全球重力波偵測網絡的一員，此為譯者之一劉怡維翻譯本書的重要動機。其次，回顧台灣科技與社會研究相關書籍，科學一詞雖然朗朗上口，有關跨國大型科學研究計畫的實驗實作書籍，實屬不多，也讓另一位譯者秦先玉加入參與翻譯本書。

本書中譯本的完成，感謝左岸文化出版社黃秀如總編慧眼視重力波；孫德齡編輯對於譯稿的潤飾，使其更為親近易讀；特別是她對於多次修訂稿的包容與時間上給予的寬限。推介這樣一本科學社會學視野的科普翻譯著作，尋找出版社的過程著實費力，感謝陽明大學社會與科技研究所特聘教授傅大為老師的推薦與鼓勵。期間先後也得到許多人的協助：劉兵、呂欣怡、李尚仁、陳信行、林正慧、劉夏如、雷祥麟、王文基、陳瑞麟等諸位師友，在此一併表達謝意。

【註1】在物理與天文學中，以「事件」（event）來指一個在時間上短暫發生的物理現象。例如，粒子對撞機每次發射，產生對撞，就是一個「事件」；天文物理學上某個星球爆炸，也是一個「事件」。

【註2】《重力的陰影》（Gravity's Shadow: the Search for Gravitational Waves, 2004），主要著力於「前－初始LIGO時代」的重力棒重力波實驗，該書討論了充滿爭議的科學宣稱、重力波偵測先驅爭議人物—約瑟夫．韋伯、從小科學到大科學等。本書《重力的幽靈》寫的是「秋分事件」，一個若有似無，如鬼魅般困擾著整個研究團隊的事件，故事就是干涉儀重力波團隊的相關作為與應對。《重力的幽靈和大狗》（Gravity's Ghost and Big Dog: Scientic Discovery and Social Analysis in the Twenty-rst Century, 2013），除了收錄《重力的幽靈》全書之外，並增加了「Big Dog」事件的田野調查，與兩篇社會學與方法學的反思。在「Big Dog」事件中，柯林斯不僅是個旁觀的科學社會學家，還積極介入科學討論與決策。《重力的親吻》（Gravity’s Kiss: e Detection of Gravitational Waves, 2017），描述了突破關鍵的首次偵測GW150914事件，從出現徵兆到論文正式發表的整個過程。

【註3】他惹人爭議的行事作風，與 LIGO計畫團隊的衝突，特別是新舊儀器的爭執，參見柯林斯（Collins 2004）。

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