重力波是什麼？愛因斯坦百年前預言 13億光年外的「時空漣漪」

▲「雙黑洞」產生重力波想像圖。（圖／路透社）

記者王致凱／綜合報導

瑞典皇家科學院將2017年諾貝爾獎授予維斯（Rainer Weiss）、巴爾利什（Barry Barish）和索恩（Kip Thorne），以表彰他們在重力波研究上的貢獻。維斯將獲得900萬元瑞典克朗獎金的一半，巴爾利什和索恩分享另一半。但究竟什麼是重力波呢？

▲2017年諾貝爾物理學獎。（圖／路透社）

維斯、巴爾利什和索恩是雷射干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）的重要成員，領導LIGO進行多次實驗後，於2015年9月14日首次觀測到來自13億光年外的2個黑洞所產生的重力波，是人類有史以來第一次證實重力波的存在。

愛因斯坦1916年發表廣義相對論時，就已經預測過重力波的存在。在廣義相對論發表之前，科學家們一直認為「空間」是恆定不變的，物質和能量存在於其中，不過愛因斯坦的理論指出，實際上空間和能量、質量間都相互有關連，且隨著時間的推移，空間也會發生變化。

「重力波」就像是時空中的漣漪，如果把時空想像成一張巨大的橡膠薄膜，有質量的物體會使這張薄膜彎曲，可以想像成在彈簧床上放一顆保齡球，質量越大，時空就會被扭曲得越厲害。

因此根據理論，地球之所以會繞著太陽轉，是因為太陽的質量非常巨大，導致其周圍的時空改變，當物體直線通過時，實際上路徑卻會彎曲，也就是「軌道」。

▼質量物體會造成其周圍的時空發生扭曲，就像是把保齡球放到彈簧床上。（圖／翻攝自LIGO）

假如只存在一個質量物體靜止於時空中，它所處的時空就不會發生變化，但若是有第二個質量物體加入，兩個物體之間就會相互運動，互相朝對方施加一個加速度；這個過程中會造成時空扭曲改變，進而產生「重力波」。

任何有質量或是有能量的東西都能產生重力波，就算只是兩個人彼此繞著對方跳舞，也會產生時空上的漣漪，但這種漣漪太微不足道，根本沒有辦法探測。因此，必須依靠2個質量非常大的東西進行非常快的運動，才足以產生人類能夠探測的的漣漪，例如2015年觀測到的雙黑洞。

▼雙黑洞想像圖。（圖／路透社）

由於重力波會造成空間的伸長或是壓縮，因此假設有人拿一把尺測量某兩個點之間距離變化，並不能觀測出重力波，因為重力波同時也會讓量尺的刻度產生變化。但是有一種「尺」並不會被伸長或壓縮，那就是「光速」。

科學家想到，若是重力波讓某兩個點之間的距離被拉長了，光就得花更長得時間才能從A點抵達B點；反之，若兩點之間距離被壓縮，光傳遞的時間就會跟著變短。這個想法也就是LIGO實驗的出發點。

LIGO由一座2端各為4公里長、相互垂直的「L形」隧道構成，科學家利用雷射測量隧道兩端的距離，當重力波發生時，會讓L形隧道的其中一端伸長、另一端壓縮，透過測量不同的點反射回的雷射干涉條紋，物理學家就能非常精準的測量兩者間的距離是延伸還是壓縮。為了要能觀測出重力波，必須要能分辨出10的23次方分之1程度的長度變化，其精準度高到令人難以想像。

另一方面，由於重力波產生的影響十分細微，很容易就被隨機產生的噪音淹沒，因此必須擁有相當先進的數據分析技術，才能讓科學家將實驗中得到的波形，和期望中的重力波波形相互比較，以識別出重力波。這就好比是要在一場非常吵鬧的宴會中，聽見一首輕輕哼唱的搖籃曲。

LIGO在美國西北部的華盛頓州和東南部的路易斯安那州有兩處幾乎一樣的設施，若是兩處設施都觀測到同樣信號，就能肯定確實觀測到重力波。

▼位於美國華盛頓州的雷射干涉重力波天文台設施。（圖／翻攝自LIGO網站）

重力波的發現，不但是對近100年前愛因斯坦廣義相對論的再一次證明，同時也代表人類可以用全新的角度觀察宇宙；就好比是一輩子都失聰，某天突然間恢復了聽力，將可以用全新的方式「聆聽」這個宇宙。而每次人類用全新途徑觀測宇宙時，都會發現那些未曾想像過的新事物。觀測重力波，是人類真正尋找我們過去不知道的新事物，探索物理知識的終極盡頭。

目前，科學家已經4次捕捉到重力波，除了2015年9月的首次之外，LIGO接著又分別在2015年12月和2017年1月間探測到重力波，實驗結果不僅驗證廣義相對論，同時也為雙黑洞系統的成因提供線索。

2017年8月14日，LIGO的兩台探測儀和歐洲的一台「處女座干涉儀」（Virgo interferometer），幾乎同時（相差數毫秒）在3個地點捕捉到重力波，是目前最新一次重力波事件。

▼諾貝爾物理獎得主、麻省理工物理學教授魏斯。（圖／路透社）

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