重力波

這是友人今晨捎給我的訊息 [1, 2]。記者會在昨天開，科學文章發表在《物理評論通訊》二日十二日。觀測到的事件則是在去年的九月十四日，恰好是廣義相對論整一百週年。

事實上事件發生在 13 億年前，由兩個黑洞－一個質量為太陽 36 倍，一個為 29 倍－碰撞後形成一個質量為太陽 62 倍的黑洞，並幅射出太陽質量 3 倍的能量。我們所測量到的重力波，就是這幅射能量的一小部份。

這重力波的頻率在 35~250 Hz 之間，耳尖的人興許還聽得到呢！它的強度是可以造成物質 10 的負 21 次方的應變 (strain)。這個數字是什麼概念呢？如果有一條一公尺的長棒，這重力波會使其收縮/伸長 10 的負 21 次方公尺，這還是沒感覺。一個原子核大小大約是一費米 (Fermi) ，一費米是 10 的負 15 次方公尺，而這重力波對一條一公尺的長棒所造成的效應是只收縮/伸長了一個原子核百萬分之一的長度！

這麼小的距離怎麼量？首先是爭取建造一個長一點、重一點的棒子，LIGO [3] 實驗組建造的是一條長達四公里的棒子，但這只為實驗爭取到 10 的 3 次方的效應，差的還很遠呢！由於有波的方向的考量，而且要用光的干涉技術，所以這個重質量條其實是個 L 型，這樣兩個方向的波都可以偵測的到，而且可以利用光的干涉來偵測長短的變化。又由於效應如此細微，所以做了兩套，以排除環境中偶發性的噪音。

剩下來的問題是怎麼測量 10 的負十幾次方的效應？這就是光干涉技術的擅長了。理論上光的最小尺度是它的半波長，像可見光中紫光的半波長大約是 200 奈米 (10 的負 9 次方公尺)，這樣的長度對重力波對長重質量棒所產生的效應仍然是龐然巨物。幸好光的干涉效應可以解析遠比其波長的長度。事實上，迄今為止，對長度的最精密測量都是以雷射干涉儀來操作的。而這想法在邁克森－摩來實驗 [4] 證明宇宙沒有 “以太” 這物質時已經開始使用了。

這個實驗的結果是五個標準差之外，錯誤的可能性是二十萬年才會發生一次，所以是證據確鑿，無可置疑。

其實重力波的存在在科學家的圈子已經深植人心，幾乎沒有人存疑。但如同我另一個朋友堅持的－量到才算！這個實驗對於百年廣義相對論算是下了一個完美的註腳。

References:

[1]:http://www.nature.com/news/einstein-s-gravitational-waves-found-at-last-1.19361 [2]:http://www.sciencemag.org/news/2016/02/gravitational-waves-einstein-s-ripples-spacetime-spotted-first-time

[3]:https://en.wikipedia.org/wiki/LIGO

[4]: https://en.wikipedia.org/wiki/Michelson%E2%80%93Morley_experiment