重力波是什麼？怎麼去測它？

我想大家應該都看過類似標題的這種概念圖。這種圖想表達的意思是這樣的：有質量的物體（比如太陽），會使空間發生扭曲，吸引其他有質量的物體。

這裡所指的「吸引」，就是重力的意思。這裡所說的「扭曲」，是一種比較抽象的概念，在三維空間里，我們可以把空間想像成一張床單。一個有質量的物體A放在床單上時，會使床單向下塌陷。這時如果把另一物體B放在物體A周圍的時候，物體B會向物體A靠近。如果物體B接近球形並且放進床單最初時有個不朝向物體A質量中心（重心）的力作用一下的話，那麼會繞著物體A轉。星辰運動大致就是這麼個原理。當然，重力的扭曲不是2維的床單向第三維（下方）塌陷，至少是三維向第四維塌陷。我們無法想像四維空間是什麼樣子的，所以我們無法想像空間塌陷的具體樣子，只能大致用床單這個例子來表達。

好了，所以我們看到，這個由重力造成的扭曲是一個「場」，而不是粒子（物質），我們如何來測量一個不存在實體的東西呢。

如果有人想到海浪的話，那麼你一定非常smart。沒錯，實際操作就是差不多用測海浪的那種感覺去測量重力波的。

寫道這裡我要說明一點，我們測量的是重力波。如果你在看不見大海（重力）的前提下想知道大海（重力）的存在，答案就是看有沒有海浪（重力波）打過來。但注意海浪（重力波）本身不是物質，它是沒有實體的。至於重力的本質是什麼，現在的想法是一種充滿空間的叫Higgs粒子（上帝粒子）的東西，你可以把它理解成充滿世界的大海吧。他對所有有質量的其他粒子有干涉（作用），質量越大，受到干涉越多，於是越「重」，於是能讓床單塌陷得更深，於是對其他有質量物體的引力越大。

好了，言歸正傳，我們來看一下下圖

往水裡扔2個石頭A和B，左右分別分別產生2個波（波A和波B）。他們輻射向外傳遞，然後可以看到2個波在中間相互融合。波A的峰和波B的峰融合的地方，出現一個大峰。波A的谷和波B的谷在融合的地方產生一個大谷。峰和谷如果大小一樣，融合的地方是一個flat。簡單的加減法。

想像一下如果波B的中心位置稍微往左偏一點的話會發生什麼？可以不必去想像出整個水面的波形會怎樣變化，但是我們很容易理解的是，整個水面的波形會發生變化。因為B的波峰和波谷的位置變了，所以相同地點它們融合的形狀也會變。原來的大峰和大谷的位置也當然會變。那麼我們可以換個角度來說，如果往水裡扔了2次石頭（各2塊），出現的水面的波形不一樣，那麼表示2塊石頭的入水位置肯定不同。如果通過計算的話，我們甚至可以知道位置究竟不同了多少。我想大家一定可以想像。

那麼，把扔石頭這個例子抽象地來說的話：當空間發生2個已知波長和振幅的波動時，根據2個波動相互傳播，融合後的干涉圖形，我們可以推算出2個波源的位置。如果2個波源的位置沒有變化，那麼2次的干涉圖形應該是完全一致的（不要跟我扯石頭形狀不一樣或者質量不一樣啥的- - 我們假設都一樣~）。

於是，我們終於可以進入如何測量重力波的話題了。

這次我們不扔石頭，我們玩激光。大家知道光是一種定向波（水面的石頭是輻射波，向四面八方前進的）。而激光，就是波長相同的定向光束。在空間中發射一個激光，相當於在水面上扔石頭之後產生一個波，只不過光這種波，是只向一個方向傳播的。如果我們把兩束相同波長的光相融合的話，他們會完全融合。融合後因為波長不變但是振幅變大，所以會變得更亮但是不會變色（波長不同的光看起來顏色不同，波長相同振幅不同的光看上去顏色一樣但是亮度不同）。

具體的原理請看下圖：

不好意思是日語的。橘紅色的一束激光（實際不是橘紅色光）通過一個半透明的鏡子後，被分成兩束光，朝著不同的方向前進。在他們之前等著的是一面全反射的鏡子，於是它們被反射了回來。反射回來的光再次被反射，如此重複400次（增加光行走的距離）。最後一次，兩束光回到交匯點融合，變成原來的那束光。如果空間是沒有重力波通過的，那麼融合後的光應該和原來完全沒有區別。但是如果有，那麼因為被分開的兩束光走的是一個對角的位置，他們的波被影響的角度肯定不同，最後融合的時候不可能相互抵消，必定產生和原來不一樣的一束光。說到這裡我感覺到了點文字說明的極限，不知道大家能不能理解我。想像一下如果水面（空間）本身是扭曲（不是平的）的，兩個位置的石頭只要位置不變，那麼不管扔幾次干涉圖形都是一樣的。它和水面（空間）是平的時候的干涉圖形肯定不一樣，但是那個水面的扭曲因為是固定的，所以第一次和第二次扔的時候的干涉圖形是不會有變化的。但是，如果第一次扔和第二次扔的兩個不同時刻水面有了變化，那麼就算石頭的位置一樣，干涉圖形也是會有變化的。被分開的兩束光在朝不同方向來回反射的過程中，就是去「體驗」這個水面的變化，這個水面的變化不是一開始它平還是不平，而是在反射的過程中它的平不平有沒有變化。如果有，那麼說明水面在變，那麼就說明空間在隨著時間扭曲，那麼就說明，重力波在不斷穿過地球，讓我們生活的空間在扭曲。

這個實驗的設施具體就是張這樣的：

反射距離一次走4公里，共計1，600公里。約相當於北京到上海2倍的距離。為什麼那麼長，因為如果空間扭曲的幅度太小，那麼可能測不出來。於是我們讓它走長一點，每次通過同樣的地點，被扭曲影響的波長的就被放大一次。

其實以前也有過測重力波的實驗。用的是鉛筒。。如果鉛筒的大小是在不斷變化的，那麼用通過鉛筒的電（光速）的時間可以推算出這個變化量。但是沒有成功，因為扭曲很小。這次走了1，600公里測出的空間變化值是10的負21次方米。造個地球一樣大的鉛筒感覺也不一定能測出來。。

最後，回答幾個常見問題吧。

Q:為什麼光可以被重力影響？不可想像。

A:哦哦哦！！這個問題讓我很性奮。不知大家有沒有聽說過愛因斯坦環（Einstein Ring）。

黑洞是空間扭曲的極致。它甚至可以影響到光的軌道。看上圖，想像有一個太陽在中間那個黑洞的左邊，地球在黑洞右邊的遠端。太陽發出的光如果走直線的話，沒有一束是可以傳到地球上來的。但是，如果往黑洞上方或者下方的直線光被黑洞吸引扭曲的話，那麼改變軌道後的光是可以最終傳到遠端的地球的。直面是只有上和下，現實是一個三維，所以我們可以看到一個環狀的太陽。中間黑的部分就是一個黑洞。這個現象被愛因斯坦預言，然後後來真的被觀察到了，如下圖。

A:滾。

謝謝大家。