科學人雜誌 9月號/2024：量化冥想，自造幸福...

特別收錄 / 編輯的話：

從重力波到地震波——談科研道路上的意外收穫

1916年，愛因斯坦提出「重力波」的概念，整整百年之後，人們終於偵測到了縹緲悠遠的重力波，次年這個發現就獲得了諾貝爾獎！但當我們來到了這個傳說中的重力波天文台，卻發現它在另一個台灣師生十分熟悉的領域中，也走在世界的前沿，就是地震監測。科研的道路上不經意地就會有驚喜和收穫！

文／孫維新

7月下旬的某一天，我們這群台灣師生坐在遊覽車上，正以無法忍耐的龜速緩慢前行，學員們興奮心急也覺得好笑，因為路邊的速度限制是個大大的「10」！我在美國從沒有看過10 mph的速限標誌，今天也算開了眼界！原因無他，只因為我們正在全世界最精密的儀器旁邊——路易斯安那州利文斯頓的「雷射干涉儀重力波天文台」（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory），這就是在天文界大大有名、和諾貝爾獎已經劃上等號的 LIGO！

1915年，愛因斯坦發表了「廣義相對論」，告訴世人，恆星（例如太陽）周遭的時空會被它巨大的質量扭曲，旁邊的天體（例如地球）只能循著這個扭曲時空的曲率運行，這個現象「廣義相對論」中有兩句話說得乾脆：「質量告訴時空如何扭曲，時空告訴質量如何運行。」（Mass tells spacetime how to curve, and spacetime tells mass how to move.）不只天體必須轉彎，連遙遠的星光經過太陽旁邊，都會循著時空曲率改變原先的方向，也因此愛因斯坦才會說出那句令人瞠目結舌的話：「我們可以看得到太陽背後的星星！」而這個大膽的預測在1919年艾丁頓（Arthur Eddington）的日食觀測中獲得證實。

我們可以想像一個具有巨大質量的天體，會扭曲它周遭的時空，這個想像並不困難，但當這個天體開始加速運動，情況會怎樣？當這個天體從A點運行到B點，原先A點被扭曲的時空在天體離開後復歸平靜，而B點的時空卻因為天體的到來，從平靜產生扭曲。實際上，這個加速運動的天體所經之處，時空都會受到擾動，而這個擾動會成為時空漣漪，以光速朝向四面八方蕩漾而去，這就是「重力波」！這個想法乍聽之下匪夷所思，細想之後卻又順理成章，接下來的100年就見證了科學進展這個步履緩慢卻扎實前進的過程。

1916年，愛因斯坦在廣義相對論的基礎上，推導出重力波的最初形式，20年後，愛因斯坦還懷疑自己的推導是否正確，認為重力波可能不存在，40年之後，理論的進展顯示重力波確能存在，60年之後，脈衝雙星的發現，間接證實了重力波的確存在，80年之後，LIGO天文台完工展開觀測，但是並不成功，100年之後，LIGO團隊宣佈了改進版的aLIGO（a代表advanced）終於偵測到了來自13億光年以外，兩個黑洞合併所釋放的重力波！

我們抵達LIGO的當天下午，大雨剛停，濃密的黑雲從頭頂綿延到天邊。接待這個台灣學遊團的是LIGO科學教育中心的卡茲曼（William Katzman），他人活潑健談，先在演講廳內做整體說明，還邀請兩位同學上台，用趣味演示介紹了「質量扭曲時空」的現象，再帶著我們走出戶外，來到百米外的土坡上，此時我們看到了一個橫躺著的巨大圓筒，從腳下延伸出去，直到地平盡頭，壯觀而又震撼！

LIGO其實有兩個巨大圓筒，成L形向互相垂直的兩個方向延伸出去，每個支臂都是四公里長，其中真空抽到極高，約等於海平面一大氣壓的兆分之一！一束肉眼不可見的高強度紅外線雷射，在源頭處穿過分光鏡，被分成互相垂直的兩束光，各自在四公里的支臂中來回反射300次，這個反射的過程，使得這個支臂的長度等同於1200公里！

在這兩束光線各自的1200公里旅途中，若剛好有重力波經過，就可能會讓一條支臂的時空拉撐，讓另一條支臂的時空壓縮，當這兩束經過不同時空擾動的雷射光回到源頭，彼此的相位已經不同，在重新結合時，就會顯示出不同的光干涉結果，也就會讓觀測者知道剛才有重力波經過地球了！

LIGO的儀器有多靈敏？LIGO可以偵測的時空擾動小到一個質子直徑的1/1000，但我們一般人並不清楚一個質子到底有多大，所以我們換個說法：從太陽到最近的恆星「半人馬座的南門二」距離是4.3光年，大約是40兆公里，LIGO在這40兆公里的距離中，可以偵測到一根頭髮直徑的時空變化！

建設一座精密的觀測站著實不易，卡茲曼抬手指向遠方的支臂盡頭，說四公里的地表距離，已經清楚顯現了地球表面的弧形，因此在興建的過程中，建築物需要根據地表的曲率做調整，才能讓雷射光直線來回準確反射。此外維修調適一樣不簡單，卡茲曼說管道內需要長期保持良好真空，如果儀器需要維修，完畢後單是重抽真空就需要40天！

當我們走回LIGO控制室，映入眼簾的是鑲滿整面牆壁的訊號屏幕，卡茲曼為我們做現場介紹，我們才知道這個諾貝爾獎等級的科研天文台，在不斷提升精密度的過程中，竟然出現了一個意外的收穫！就因為要偵測的訊號是如此微弱，所以在進行觀測時，需要同時監控全球的地震，經過多年的改善提升，現在LIGO竟然成為全世界最靈敏的地震監測站！

科研的道路上風光奇特，從沒少過驚喜，1992年夏威夷大島上的兩台10米口徑望遠鏡凱克一號和二號（KECK I & II）落成，10年之後檢驗成果，發現最重要的四項成就：（1）發現紅移超過3的遙遠星系；（2）定位γ射線暴（gamma-ray burst, GRB）；（3）藉著遙遠星系中的超新星發現宇宙正在加速膨脹；（4）偵測和研究系外行星。這四項傑出成果竟然沒有一項出現在當初提議建造這個望遠鏡的計畫書中！所以研究者專心致志之餘，也要保持心胸開闊，隨時收穫路邊可能出現的意外驚喜！