何謂重力波Gravitational-Wave ？如何發現重力波？ @ 休休居散記

201710111600何謂重力波Gravitational-Wave ？如何發現重力波？

2017 年諾貝爾物理學獎公布，由證實重力波存在的3名物理學家巴里什（Barry Barish）、魏斯（Rainer Weiss）及索恩（Kip Thorne）獲得，重力波的存在證實為終極宇宙的奧秘敞開大門。可是，什麼是重力波Gravitational Wave呢？

眾所皆知，廣義相對論與量子力學成為現代物理學的兩大支柱。這兩個理論各自描述宏觀和微觀的世界，而其預測亦被越來越精確的實驗逐一驗證。愛因斯坦的廣義相對論預言的時空扭曲效應，例如重力透鏡、宇宙膨脹、黑洞等等，目前都已經被天文觀測所證實。然而，愛因斯坦（Albert Einstein）一個世紀前在廣義相對論中的所預言重力波，直到2015年，科學家才首度偵測到重力波。重力波是微弱的時空「漣漪」，很難觀測到。

時空「漣漪」是啥？廣義相對論說，時空會被非常重的物質扭曲。想像時空是一張彈簧床的表面，上面放一個網球和一個保齡球。保齡球比較重，所以彈簧床表面會被保齡球壓得比較深。把網球滾向保齡球附近，網球就會沿著保齡球附近被扭曲的彈簧床表面公轉，看上去彷彿網球被保齡球的一道無形的「力」給拉了過去。這就是牛頓力學中重力，也就是萬有引力的表現。在牛頓力學中，時間是絕對、穩定地在背景中滴答前進，而在愛因斯坦的廣義相對論中，時間和空間緊密結合在一起，所形成的時空結構是會受到物質影響而彎曲變形的。

因此，如果有質量的物體在時空中運動，就會産生重力波。這就好比石頭丟進水裏會産生水波，所以重力波才會被稱作“時空的漣漪”。但普通物體産生的這種引力波極為微弱，連愛因斯坦自己也認為很可能無法觀測到。

YouTube有一段漫畫影片，針對重力波做了簡單的介紹

時空的漣漪，它的波形特徵與聲波相似，這也是為什麼科學家曾將其轉換成聲波，作為“宇宙的聲音”播放出來。通過探測重力波來分析宇宙中的各種事件，就像根據樂器聲波判斷樂器的質地種類，以及樂手的演奏手法。

那證實了重力波的存在有多麼了不起？

在"致愛因斯坦的一封信裡"寫到：想像在一片嘈雜的背景噪音中，一聲「噗」的清脆聲響，如水滴落水，持續時間短暫得不到1秒，這正是由重力波轉化成的宇宙之聲。按照愛因斯坦的理論，這個聲音源自於13億年前一個雙黑洞的碰撞，那時「多細胞生物才開始在地球上擴散」。經過13億年的漫長旅行，這個時空漣漪於2015年9月14日抵達地球，被LIGO的兩個探測器以7毫秒的時間差先後捕捉到！

LIGO團隊模擬，13億光年之遙、兩個超級巨大黑洞合併

深深細想背後的故事，真的要起雞皮疙瘩的感動.

1969年，美國麻省理工學院的雷納.韋斯(Rainer Weiss)提出了以雷射干涉方法來探測引力波。1978年，加州理工大學的基普.索恩Kip Stephen Thorne說服加州理工學院建設一個40米長的原型干涉儀。1979年至1987年，在羅納德•德雷弗Ronald Drever(於20170307辭世，故未受頒諾貝爾奬)的主持下，40米原型干涉儀得以建成。

干涉儀的光路圖：從同光源發射出的兩條光線在半鍍銀鏡合併唯一，然後抵達光檢測器。依三面鏡子的準確距離而定，假若它們抵達時同相，則會相長干涉，光強度增加；假若它們抵達時失相，則會破壞性干涉，光強度減弱。

1989年，他們開始又向美國自然科學基金會申請建設一個更大的雷射干涉引力波觀測站（LIGO）。儘管耗資巨大，而引力波是否能被探測到還不確定，但NSF在3年後批覆了他們的申請(偉大的主事者)。1995年開建，1999年建成啟用。真正的引力波觀測始於2002年，結束於2010年。然後開始了LIGO的升級。2015年9月18日，升級後的LIGO（aLIGO，Advanced LIGO）重新開機運行。

aLIGO 測量原理相當簡單直接，只是利用簡單光干涉原理。aLIGO 各有兩條互相垂直、長4公里的激光隧道。在嘗試測量重力波時，科學家會同時將激光沿著兩條隧道發射。隧道末端的鏡會將激光反射回起點，將兩條雷射光重新結合，形成干涉圖像。

aLIGO 能探測到大約萬分之一質子距離變化(經過背景雜訊去除)，只要有微小變化則代表他們有機會偵測到重力波，意思是當重力波通過時，由於時空的"扭曲"導致距離的微小變化，會使雷射光的干涉狀況受到影響，經過計算，此極其細小的距離變化與宇宙中最強烈的重力波源—黑洞雙星系統或中子星雙星系統—發出的重力波強度吻合。若沒有不可思議的高明技術，根本不可能測量出如此微不足道的伸縮.

aLIGO 探測器共有兩套完全一樣的設施，分別位於路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓州的漢福德，兩者相距 3,002 公里。因此同一個重力波會在不同時間抵達兩個 aLIGO 探測器，使用三角測距法能夠計算出其波源距離地球有多遠。

宇宙發生極端暴力事件，例如黑洞相撞或恆星核心崩塌，就會產生重力波。aLIGO 的目標重力波由雙黒洞 (binary black holes) 或雙脈衝星發出，非常長的波幅能穿越中介物，包括電磁波被困的最早期宇宙。aLIGO工程運行時，它探測到了重力波事件GW150914，隨後還探測了更多次的重力波事件。

整理一下幾次重力波觀測結果：

GW150914：這束重力波的信號於2015年9月14日9時51分（UTC）許被位於利文斯頓和漢福德的兩架LIGO雷射干涉儀幾乎同時捕捉到。根據探測信號，這束重力波來自位於南天的距地球約13億光年的雙黑洞。兩個黑洞的質量分別約為太陽質量的29和36倍。它們經過互相旋近後併合為質量約為太陽62倍的黑洞，有約3倍太陽質量的能量在不到1秒的時間內以重力波的形式釋出，其峰值功率達到了全宇宙的所有可見光功率的50倍。

GW1701014：觀測到的重力波的兩個黑洞質量分別約是32跟19個太陽質量，合併之後的黑洞大小為49個太陽質量。換句話說，有兩個太陽的質量在一瞬間被以重力波的形式釋放出來。

GW170814 ：過去三個重力波事件不一樣的地方在於這是Virgo第一次偵測到重力波事件，也是第一次有三個重力波偵測器同時觀測到的重力波事件。Virgo位於義大利的比薩附近。Virgo 的構造與 LIGO 的兩個偵測器相當類似，都是L型偵測器，只是臂長比 LIGO 略短一些，約三公里，而且靈敏度大約只有LIGO的四分之一。GW170814 是由兩個質量分別為31與25個太陽質量的黑洞，合併成為一個具有53太陽質量的黑洞所放出來的重力波。這個事件距離我們約18億光年遠。美國和歐洲兩個重力波研究小組首次共同在8月14日探測到一次引力波事件。

至於重力波在實際生活中有什麼應用，科學家説，包括時空旅行這樣的科幻設想還早得很，而利用重力波的宇宙通信目前來看也很遙遠。不過重力波的發現無疑打開了一扇新的大門，給未來增加了更多新的可能。不過愛因斯坦的廣義相對論應用層面極廣，最明確有感的例子，就是現在市面上應用極廣的GPS，目前，我們無法真正預測現在的新發現究竟會帶了甚麼技術。