影響空間長短 光線波長「互動」助量度
上星期談及，根據愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論（General Relativity），物質及能量會導致時空扭曲；當物質及能量移動的時候，時空的扭曲也會隨之而改變。這種改變向四面八方傳送，就是重力波（gravitational wave）了。 今年的諾貝爾物理學獎， 肯定了3位科學家為成功偵測重力波而付出的努力。
然而重力波好像是看不見、摸不到的東西，我們又是如何偵測到它們的？
利用4,000米長鐳射光束 真空隧道內測量
我們並不是從來沒有量度過「看不見、摸不到的東西」的：通訊用的無線電波也是如此。無線電波本質上是電磁波（electromagnetic wave），能夠牽引電路內的電子隨之而運動，因此運用適當的電路就能偵測到無線電波了。
偵測重力波的道理也是大同小異。我們需要先找出重力波對什麼物事有影響，再去尋找辦法去量度它們 。
那麼重力波對什麼物事有影響？ 如前所述，重力波代表的是時空的扭曲，因而能夠導致空間短暫地增長或縮短：一陣重力波經過，可以令到我們眼前間尺的刻度隨之而改變。
只是這樣的改變實在是太微小了（事實上是可能比一顆質子的直徑還要小），因此必須用很精準的方法才能將它們偵測出來。
干涉現象如「水波」互動
光線的波長很短，因此可以是一把刻度很精細的尺。波的干涉現象（interference），正好容許我們善加利用這把精密的尺。
什麼是干涉現象？ 我們可以想像兩道相遇的水波：水波有低谷、有高峰，倘若一道水波的高峰遇上另一道水波的高峰，那麼兩道水波就會「雙劍合璧」，形成一道高低更顯著的水波；不過倘若其中一道水波稍為移動，以致它的高峰正好碰上另外一道水波的低谷，那麼兩道水波就會互相抵消，最後變成什麼也沒有了。
這種互相加強，或是互相抵消，就是波的干涉現象。反過來想，這種現象對兩道水波的相對位置很敏感，只需半個波長的移動，就會由「互相加強」轉變成「互相抵消」，正好可以用來量度很微細的距離。
由於重力波的效果真的是很微細，科學家們被迫依仗長達4,000米的鐳射光束的干涉現象去量度；為了剔除附近空氣粒子振動帶來的虛假信號，科學家們在鐳射光束之外築起了隧道，再將內部空間的空氣抽走，造成接近真空的狀態。
這樣如此精確的測量設備，真的是令人瞠目結舌。不過其實這個實驗初期的結果並不令人樂觀，過了很久還沒有偵測到任何重力波的訊號。幸而有關的科學家絕沒有放棄，還不斷改進測量的設備以提升它的準確度，最終能夠量度到重力波，為科學史寫下新的一頁。 ■張文彥博士
作者簡介：香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後，決定追隨對科學的興趣，在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位，修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師，教授基礎科學及通識課程，不時參與科學普及與知識交流活動。
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