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重力波是怎么产生的 重力波和引力波

重力波示意图 。当物体加速度前进时 (如两个超大质量星体互绕)，会使空间的扭曲发生变化、产生「涟漪」，这就是「重力波」 。图片来源│R. Hurt/Caltech-JPL
雷射光被分光镜分成两道，分别沿着两根管子前进，经由管末的反射镜反射四百趟之后，两道雷射光会在出发的交角处会合并互相干涉 。如果没有重力波，两道光程一样(两根管长一样)，不会出现干涉条纹 。如果有重力波经过，光程不同(管长些许不同)，就会出现干涉条纹，藉此侦测出重力波 。数据源│ LIGO will be getting a quantum upgrade 图说设计│黄晓君、林洵安
雷射干涉仪太空天线 (LISA) 示意图 。在太空中的三个相距 250 万公里的探测器会朝彼此放出雷射光，当有重力波经过造成空间扰动，使宇宙飞船间的距离改变时，会影响雷射光的干涉结果 。图片来源│NASA

重力波是怎么产生的 重力波和引力波

文章插图
台湾中研院物理所吴建宏研究员，以深厚的学养、推广科学的使命感，将高深的重力波学理，转化为生动好懂的科普演讲，在 2019 年中研院院区开放日与民众分享 。摄影│林洵安
据《研之有物》（采访编辑：郭雅欣 美术编辑：林洵安）：若说起近年科普界最火红的关键词，绝对少不了「重力波」 。重力波爆红的原因，无非是位于美国的雷射干涉仪重力波观测站（ LIGO ）在 2015 年首度观察到来自一场黑洞合并事件引起的重力波，并于 2017 年获得诺贝尔物理奖的肯定 。重力波到底是什么？ 和黑洞又有什么关系？ 2019年台湾中研院院区开放日，中研院物理所吴建宏研究员的精彩演讲「利用重力波探测宇宙黑洞」，要跟大家聊聊重力波大小事 。
重力像水波？
宇宙万物之间都有重力，比如说，地球是因为具有重力，才能把我们「吸」在地表上；太阳是因为具有重力，才能让八大行星不断绕着它公转 。
不过，爱因斯坦的广义相对论中，认为重力是来自空间的扭曲，质量愈大的物体，周围的空间就扭曲的愈厉害 。而当物体加速度前进时，则会使空间的扭曲发生变化、产生「涟漪」，这就是「重力波」 。吴建宏形容：「就像水中的涟漪那样，水波是依赖着水而存在，重力波则是依赖着空间而存在 。」
【重力波是怎么产生的 重力波和引力波】既然宇宙中有那么多天体，而且质量大的也不少，可以想象我们所处的「空间」到处都是重力波，一点也不平滑，反而可能像处处水波荡漾的大池塘，真是颠覆直觉！
既然重力波到处都是，为什么在爱因斯坦 1916 年提出重力波之后，我们相隔了约100年，才终于透过 LIGO 找到了它存在的证据呢？
因为重力波能引起的「波动」非常的小，科学家估计即使是剧烈的天体合并事件，能引起的重力波所造成的空间扰动，传递到地球时，数量级也顶多只有 10-12 比 1，换算下来，一个一公里长的物体，因为重力波而造成的改变量只有千分之一个原子核直径那么长而已，也难怪爱因斯坦在提出重力波之后，曾说过「我们可能永远测量不到重力波的存在 。」不过，幸好如此，我们才不会感觉自己一下子变矮、一下子又变胖，对吧？
尽管连爱因斯坦都没把握测得到，但不要小看科学家的斗志 。既然波动很小，我们就设计超级精密的仪器来测量它！ 在科学家大无畏的精神下制造出的 LIGO，精确度数量级硬是高达了 10-22 ！
「在爱因斯坦提出重力波的一百年后，我们终于找到了重力波存在的证据」
LIGO 的完美 L
科学家是怎么做到的呢？ 答案就在 LIGO 超特别的设计里 。LIGO 包含了一组相互垂直、呈 L 形的两根管子，每根管子的长度都是4公里 。一开始，从交角处出发的雷射光，会被分光镜分成两道，各自沿着两根管子前进，再由管末的反射镜反射回来 。雷射光来回反射四百趟之后，会在交角处会合并互相干涉 。
在没有重力波的情况下，从两根管子回来的雷射光走的路程长度完全相同，在干涉过程中会彼此抵消，不会产生讯号 。但如果重力波引起空间扭曲，就可能对两根管子的长度产生影响，拉伸或压缩了一点点，两道雷射光的光程就会有些微不一样，回到交角处时的相位也会有一点点差异，这一点点的差异就足以让 LIGO 精密的干涉仪器产生干涉讯号，让科学家知道： 「嘿！ 刚刚有重力波经过这里！ 」
换言之，尽管重力波能产生的空间扰动超级小，但 LIGO 把雷射光的光程拉得超级长，尽可能把重力波造成的空间扰动放大到可观测的程度，然后等待足够大的重力波来临时，就是我们窥探它的好机会 。


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