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物理學與天文學追尋百年的聖盃──重力波Q&A

美國科學家11日在華府宣佈探測到重力波的存在。重力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」，但科學家始終無法證實重力波的存在。（美聯社）

（綜合報導）愛因斯坦（Albert Einstein）百年前的理論預言，終於在極先進、精密的觀測技術中現身，將為人類對於這個世界的知識與理解帶來根本的變革。讓科學家等待了一個世紀的重力波（gravitational wave）到底是何方神聖？為何如此難以捉摸？有何驚人作用？本文為你一一解惑。
問：什麼是重力波？
1916年，愛因斯坦發表石破天驚的「廣義相對論」（general theory of relativity，GTR），預測了重力波的存在。簡而言之，重力波是一種「時空曲率的漣漪」（ripples in the curvature of spacetime），以波的形式從源頭向外傳播，並以重力輻射的形式傳遞能量。
廣義相對論指出，質量會扭曲時間與空間。可以想像為將一顆保齡球放在彈翻床（trampoline）上，周遭的物體會以它為中心向它「落下」。當物體加速，附近的曲率會隨之改變，這種曲率變化會以光速向外傳播，也就是重力波。
物體質量越大，重力波的效應越顯著，越容易被探測到。因此宇宙中最強的重力波，是來自最激烈、最壯觀的事件，例如兩個黑洞相撞、大型恆星爆炸，或者138億年前創生宇宙的「大霹靂」（Big Bang）。
問：重力波為什麼如此重要？
重力波的存在得到證實之後，我們對於時間、空間等基本概念的認知都會改變。同時重力波也將開出天文觀測的新場域，它能夠穿透電磁波所無法穿透的空間，讓人類更加瞭解遙遠的恆星、星系與黑洞。
在大霹靂之初輻射出的「太初重力波」（primordial gravitational wave）特別難以探測，但也特別重要，讓我們一探宇宙誕生初期的「暴脹」（inflation）光景，尤其是暴脹發生時的能量量級（energy scale）。
問：重力波為何如此難以探測？
由於重力波的效應實在太過渺茫，因此就連愛因斯坦本人也沒有把握人類是否有能力探測。舉例而言，兩個黑洞相互環繞時，輻射出的重力波其波長可能有100萬公里，但振幅不到一個原子的大小。
就探測重力波的「雷射干涉重力波天文台」（LIGO）而言，其雷射光束雖然長達4公里，但如果探測到來自遙遠星系的重力波，其變化大約只有1個質子的寬度。
問：那麼我們到底要如何探測重力波？
1974年的時候，科學家發現史上第一個脈衝雙星系統「赫爾斯─泰勒脈衝雙星」（Hulse–Taylor binary pulsar），發現這兩顆中子星的公轉周期和距離會逐漸變小，原因顯然是它們以重力波的形式損失能量。這是人類首次發現重力波存在的間接定量證據，兩位科學家因此榮獲1993年的諾貝爾物理學獎。
至於直接探測，更是歷盡艱辛。1960年代，美國馬里蘭大學的韋伯（Joseph Weber）製造鋁質實心圓柱「共振質量探測器」是第一架實際投入應用的重力波探測器，但是效果並不理想。
多年來，地面與太空的天文望遠鏡則是聚焦宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background，CMB），試圖察覺重力波的效應。
2014年3月17日，哈佛─史密松天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，CfA）的天文學家宣布利用位於南極的「第二代宇宙泛星系偏振背景成像」（BICEP2）探測器，在CMB中觀測到重力波效應，但後來的分析驗證無法排除星際塵埃的可能。
另一種方法是觀測物體之間距離極細微的變化。重力波通過物體時，在其行進方向，會造成物體的伸展與擠壓。LIGO與其位於義大利的姊妹探測器「VIRGO」就是要探測這種效應。
1991年，麻省理工學院（MIT）與加州理工學院（Caltech）在美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）的資助下開始建設LIGO。其主要部分是兩個互相垂直的長臂，每個臂長4000公尺，臂的末端懸掛著反射鏡，大功率雷射束在臂中來回反射大約50次，使等效臂長大大增加，形成干涉條紋。重力波會造成光程差發生變化，導致干涉條紋發生移動。
為了消除地震對系統帶來的干擾，LIGO光學裝置安裝在結構複雜的防振台上。為降低空氣分子熱運動的影響，內部抽成10的負12次方大氣壓的真空。此外LIGO還在路易斯安那州和華盛頓州建造兩個相同的探測器，彼此相距3000公里，只有兩個探測器同時接收到的資訊，才有可能是重力波的信號。去年12月3日，個歐洲太空總署（ESA）的「雷射干涉太空天線開路者號」（LISA Pathfinder）發射升空，為ESA的「雷演化雷射干涉太空天線」（Evolved Laser Interferometer Space Antenna，eLISA）進行開路工作。eLISA就是一座重力波天文台，預計2034年發射升空。

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