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【科學講堂】干涉現象 測重力波

2017-10-18

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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