「引力波」——在廣漠時空中遠去的漣漪（三）

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演講嘉賓：孫維新

孫維新是誰：

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上期我們說到，超新星爆炸可能產生的幾種後果，分別是：

1. 第一種炸得粉身碎骨，屍骨無存；

2. 第二種是爆炸了以後雲氣四面八方散出去了，然後，在核心留下了一顆中子星，中子星密度很高，劇烈旋轉像燈塔一樣；

3. 第三種結局就是爆炸以後留下一個黑洞！

小夥伴們發現沒有？終於講到黑洞了！終於接近主題了！本期，借著引力波，孫教授就要先來告訴大家，一個黑洞是怎麼來的？一個30個太陽質量的黑洞是怎麼出現的？

當我們看到大質量的恆星爆發了以後，核心經過了高度的擠壓，會把大量的物質瞬間擠壓到非常小的範圍裡面，如果它的密度超高，讓周遭的時空扭曲到連光都無法逃出這個深陷的時空曲率的話，那麼就成為黑洞了！

就一個黑洞而言，周遭的物質一直往裡面掉，但中間完全沒有光線，因為連光都逃不出這個極端扭曲的時空曲率

整個宇宙各種各樣的天體都會造成時空曲率的變化

我們剛剛講的是一個恆星的爆炸可能會在它的核心留下一個黑洞，天上很多恆星不是像太陽一樣單獨存在的。超過50%以上的是雙星或是多星系統，也就是兩個星星互相環繞，或是好幾個星星互相環繞。你一聽可能會覺得我們的太陽系只有一顆星星，是不是太無聊了？各位可以想像一下如果一個雙星系統附近也有穩定的行星環繞，就會出現有趣的情況，這個太陽系裡面就會有兩個太陽！但如果兩顆星星都走到生命的盡頭，有一顆先爆炸了形成了黑洞，但這個爆炸卻沒有毀掉這個系統，就會變成一個黑洞繞著一顆恆星，等到另外一個恆星也爆炸的時候，就會出現了兩個互相環繞的黑洞（圖二十四）！

【圖二十四】：

現在大家終於知道為什麼會有兩個黑洞互繞的情況出現了吧？這一陣子講引力波的文章多的不勝枚舉，但我幾乎沒有看到任何一篇文章說，為什麼會有兩個黑洞互相環繞？原因就是兩個星星互相環繞的系統很多，質量大的經過超新星爆炸有可能在核心產生一個黑洞，但如果這個爆炸又沒有擾亂到彼此互相繞行的另外一個星星，旁邊這個星星還在，那等到另外這顆星星演化到也爆炸產生黑洞，而第二次爆炸也沒有影響到彼此的互繞，那就會成為兩個黑洞互相環繞了。

但兩個黑洞互相環繞的結果會越靠越近，為什麼呢？很簡單，就是因為兩個黑洞互相環繞，這個環繞的過程會放出能量，尤其是兩個黑洞密度這麼大，對周遭的時空扭曲是非常明顯的，而彼此環繞會越來越近，越來越近就會越來越快，就會對周遭的時空產生明顯的擾動（圖二十五）。我們剛剛不是說了，當我們把太陽往那邊一擺，對周遭時空就會產生扭曲了，那如果有兩個太陽互相環繞跑得挺歡的，那對周遭的時空就會產生明顯的波紋跟漣漪。這就是為什麼我們今天的題目叫做「逐漸遠去的時空漣漪」。

【圖二十五】：

這兩個黑洞彼此互相環繞，又釋放能量，讓彼此靠近。因為如果原來能量夠大的話，還可以遠遠的環繞互不干涉，但因為都把能量釋放出去了，那就會越靠越近，當兩個黑洞越靠越近的時候，對周遭的時空扭曲就會越來越強烈了，到最後合而為一，瞬間釋放大量的能量。而這樣巨大的宇宙事件，就會對周遭本來已經被不斷擾動的時空結構產生更大的一次震蕩。從兩個黑洞瞬間結合成一個黑洞，對周遭的時空來說瞬間產生的震蕩是不得了的大！如果有兩個緻密天體（「緻密天體」是我們常常用來代替黑洞的名稱，因為它的密度很高）繞到最後「吧嘰」碰在一起了，這個巨大的宇宙事件對周遭時空產生的擾動就好像你把一顆大石頭丟到水塘里一樣，這個時空漣漪向周遭散發出去，逐漸飄向遠方，應該會被觀察到。而這個時空結構的震蕩所產生的漣漪，就叫做「引力波」了（圖二十六）！

【圖二十六】：

當年愛因斯坦在發表了廣義相對論以後專門寫了一篇文章，來預測引力波應該是存在的。愛因斯坦看起來就像是一個慈祥和藹充滿智慧的老先生（圖二十七）為什麼他的腦袋裡頭竟然能裝得下整個宇宙！

【圖二十七】：

愛因斯坦當年提到引力波會被這種巨大的宇宙事件釋放出來，無論是超新星爆炸也好、或是兩個黑洞合併也好，都會劇烈擾動周遭的時空，讓遠方的觀測者偵測到引力波通過他們的身邊，他提出這個想法，後來想想好像不對勁，本來還想要寫篇文章否認的，後來還好這篇文章沒有發表，因為別人發覺他原來說的應該是對的！

從那個年代開始，科學家們就很努力地研究，想要找到愛因斯坦預測的「引力波」，您可以想像嗎？愛因斯坦在廣義相對論裡面做了很多的預測，包括剛剛說到的最精彩的星光經過太陽旁邊，因為太陽擾動時空造成光線會轉彎，所以才能讓地球上的人看到太陽背後的星星，而這個預測就被艾丁頓爵士真正的觀測到了！

厲害的人是什麼樣子？厲害的人出去外面，看到天上有新的東西，回到研究室寫論文發表，發現新東西了！而更厲害的科學家是什麼樣子？就是坐在屋裡計算，然後告訴你，你走出去外面就會看得到！愛因斯坦就是這樣的人。他在文章里預測引力波存在，告訴大家可以去找，當年還沒有人偵測到引力波，只有先看到了太陽背後的星星，而他的好朋友蒲朗克（Max Planck）也是研究黑體輻射的偉大物理學家，在愛因斯坦預測可以看到太陽背後的星星，並且在艾丁頓爵士真的觀測到了之後，準備要發表他的結果之前，蒲朗克著急緊張的一晚睡不著覺，幫他的好友愛因斯坦緊張。而愛因斯坦卻說：「如果蒲朗克先生對相對論的了解跟我一樣深刻的話，他就不會睡不著覺了！」你的好朋友幫你擔心，怕你的理論出問題，你卻還好整以暇地睡覺，還要開他玩笑。

而廣義相對論裡面預測的最後一個一直沒有補上的這塊拼圖，就是這個引力波的實際偵測。好些單位都在做，美國、日本、歐洲都在做，這一回是讓美國搶到先機了，美國人在美國本土的兩個地方，分別是路易斯安那州與西北角的華盛頓州，相隔了三千公里左右，各擺了一個L型的巨大建築物，就叫做LIGO，也就是激光干涉儀（圖二十八），而這個干涉儀可以把雷射激光來回反射，可以偵測到時空的微小變化（圖二十九）。

【圖二十八】：

【圖二十九】：

如果引力波通過了，這個LIGO機器對微小的變化都可以看得到。您可以看到這個LIGO真的是滿壯觀的建築物，在廣大的平原上面伸開了彼此垂直的L型建築架構，每邊長達4公里（圖三十）。

【圖三十】：

大家可以想像嗎？這個4公里的激光來回反射的路徑，中間不能有任何人為或自然界的雜訊去影響它，所以要有多精彩壯觀的防震措施，才能讓這個激光來回不要被誤判，不讓人為或其他因素造成激光路徑的擾動，在這個激光設施上面美國人真的下了大功夫（圖三十一）！

【圖三十一】：

而這個原理到底是什麼？我們再講一次這個東西叫做「激光干涉儀」（LaserInterferometer Gravitational-WaveObservatory）。干涉儀在天文學上是一個非常重要的儀器，物理實驗裡面常會測量干涉現象，也就是你看到有一束激光從設備里打出來，會經過一個斜斜的半透明的鏡子，可以讓一半的光透過去，一半的光垂直反射到側面。一個斜斜的平面鏡，就可以把一束光變成互相垂直的兩束，這個叫做光束的分離器，也就是一束往前走，一束往垂直的方向過去，但兩個方向過去以後又各有一面反射鏡，撞到反射鏡以後這兩束光會再回來（圖三十二）。

【圖三十二】：

我們看LIGO的干涉儀，一束光出去了碰到了這個半反射鏡，有一半呈90度反射到了左邊的垂直方向，另外一半穿過了直接往前走，但兩束光走到了盡頭以後都讓一面質量非常好的平面鏡反射回來，到了兩束光線分隔的地方又重新匯聚在一起。如果這兩束光線在行經的路線當中沒有受到任何擾動，時空都沒有改變的話，這兩束光的相位是一樣的，彼此的干涉現象很清楚。如果兩個四公里長度當中都沒有任何引力波經過，這兩束光線回來彼此握手問好，看到彼此還是跟之前長得一樣，沒有改變過，所以重新聚合在一起的時候干涉效應就會看得出來知道沒有被擾動過。但是如果在兩束光分別出去以後在中間的路徑上剛好有引力波經過，對時空產生了一點點的擾動，其中有一束光走的路徑只要有一點點偏差，合在一起就差很多了。兩束光重新見面的時候發現有一束長得不一樣了，干涉效應就會完全不對了。從這個干涉效應被破壞了就會知道引力波經過了，所以這個LIGO系統就是用來找尋這種具有擾動時空曲率能力的巨大事件，像是黑洞的合併或是超新星的爆炸（圖三十三、圖三十四）。

【圖三十三】：

【圖三十四】：

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