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重力波

自從2017諾貝爾物理獎頒發給對觀測重力波有重大貢獻的三位科學家──萊納‧魏斯(Rainer Weiss)、基普‧索恩(Kip S. Thorne)、巴里‧巴利許(Barry C. Barish),各類關於重力波的捷報如雨後春筍般冒頭:觀測到兩個黑洞的合併、中子星對撞。但是,重力波究竟是什麼呢?

黑洞合併[1]



中子星合併[2]



  在牛頓力學中,時空像一個舞台,不論台上的演員如何運動,舞台都會穩穩地固定在那裡,不會變形。但是根據愛因斯坦廣義相對論,物體的存在卻會擠壓時空,造成時空扭曲;他認為時像是一匹布,而布上面放了一顆球,而球的存在便會使布凹陷變形,因此,地球的存在也會使時空產生扭曲。



時空扭曲[3]



  在質量夠大物體運動時,就會因為時空被扭曲、恢復,而形成重力波。重力波會帶有關於物體運動的訊息;而質量大、密度高如黑洞、中子星的天體,在產生形變(融合、對撞)時,會劇烈改變時空扭曲。用一個比喻來理解這段話:可以將水面當成時空,兩顆石子當作對撞的天體,當石子在水面碰撞時產生漣漪,而這個漣漪就是所謂的重力波,它會使時空產生週期性拉伸、縮短的現象。



重力波[4]



  以圖三來看,就能發現任兩點間的距離,隨著時間產生變化,這就是重力波造成的影響。所以當重力波經過時,會讓時空伸縮,而身在時空中的各個物質,包括我們,也會隨著重力波變形

你一定很疑惑,既然重力波存在,那為什麼我們都沒感受到呢?

  那是因為,即使是最活躍的天文現象,像是黑洞與中子星的對撞與融合,傳播到地球時,震幅最多也只剩下原本的10-21了,這樣的數量級造成我們對重力波無感,因為就算是我們習以為常的地施工擾動、地震……等等,所觀測到的訊號也可能遠遠蓋過重力波經過造成的變化。

  因此,要測到重力波的確是一大難題。到底該怎麼改良,才能偵測到這麼微量的變化呢?

  目前,科學家使用麥克遜干涉儀來測量重力波。選用的原因是「干涉可以增加精密度」;看看你智慧型手機上的包膜,如果沒有和手機螢幕密合的話,就可能看到反光不一致的干涉條紋。由此可見,干涉可以放大原本沒那麼明顯的訊號,這個特性對重力波的觀測十分重要,於是麥克遜干涉儀就廣泛應用在各類探測重力波的儀器中。



干涉增加精密度[5]



  麥克遜干涉儀中,經由兩反射鏡反射過後的光束會干涉,形成干涉條紋。當重力波經過,造成時空扭曲,使得光路1、光路2距離產生變化,如果搭配圖三來看,就是光路1縮短、光路2拉長,因此兩道光回到接收器所需時間改變,接收到的光波相位改變,干涉作用與干涉條紋也受到影響。



麥克遜干涉儀[6]



干涉條紋[7]



  經過一個世紀的努力──不論是理論預測或是建構儀器,科學家在近日終於成功偵測到了幾個天文事件,未來可以藉由這些觀測結果,了解或驗證近代發展的理論,進一步推展了天文物理的發展。



 



原始資料:

重力波偵測, 游輝樟, 物理雙月刊廿六卷五期 (2004年10月)

參考資料:

http://sites.apam.columbia.edu/courses/apph4903x/LIGO-Shot-Noise.pdf

圖片來源:

[0]https://thestandnews.com/cosmos/LIGO-%E7%AC%AC-2-%E6%AC%A1%E7%99%BC%E7%8F%BE%E9%87%8D%E5%8A%9B%E6%B3%A2-%E5%86%8D%E8%AD%89%E6%84%9B%E5%9B%A0%E6%96%AF%E5%9D%A6%E5%BB%A3%E7%BE%A9%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96/

[1] https://www.space.com/38497-five-merging-black-hole-pairs-merging-videos.html?utm_source=notification

[2] https://www.space.com/38469-gravitational-waves-from-neutron-stars-discovery-ligo.html

[3] http://www.cup.com.hk/2016/02/12/gravitational-wave-discovery-breakthrough/

[4]重力波偵測, 游輝樟, 物理雙月刊廿六卷五期 (2004年10月)

[5] http://www.hk-phy.org/iq/oil_rainbow/oil_rainbow.html

[6] http://www.bb.ustc.edu.cn/jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part2/grade2/michelson.html

[7] http://www.wikiwand.com/zh-tw/%E8%BF%88%E5%85%8B%E8%80%B3%E5%AD%99%E5%B9%B2%E6%B6%89%E4%BB%AA

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