今天讓我們一同踏上探索之旅，揭開 重力波 這一神秘現象的面紗。我們都能感受到重力的存在，但卻無法直接看見它。這不代表重力是虛無的；相反，我們透過感受自身的重量來體驗到重力的作用。同理，雖然重力波在我們的日常生活中幾乎是不可察覺的，它們的影響卻是切實存在的。
想象一下，如果重力波是一種我們能夠直觀觀察到的宏大現象，那將是怎樣的一番景象。在這樣的情形中，當一個重力波穿越我們的身體，你可能會看到自己的身體被從上至下、從左至右擠壓變形。
重力波不僅僅是一種科學現象，它們是探索宇宙深處，甚至是追溯到遙遠過去的一扇窗戶。自從我們發現了重力波，我們對宇宙的理解和探索已經步入了一個全新的階段。在本文中，我將詳細介紹這種獨特的波動，帶領我們一起深入了解它們的奧秘。現在，就讓我們開始這段探索之旅吧。
什麽是重力波？
簡單來說， 重力波類似於由移動的巨大物體（如雙星系統）在空間中產生的漣漪效應。 這一概念最早由奧利弗·海維賽德在1893年提出，並由亨利·龐加萊在1905年進一步發展。但真正使重力波成為物理學重要組成的，是艾拔·愛因斯坦在1916年基於他的廣義相對論提出的預測，他將其描述為時空中的漣漪。重力波攜帶能量移動，與光波類似，但與牛頓的萬有重力定律有所不同，後者假設重力效應是瞬時的。
重力波存在的第一個間接證據出現在1974年，當時赫爾斯和泰勒觀察到了一個雙星系統的軌域衰減。這一發現與廣義相對論的預測相吻合，即 雙星系統透過重力輻射耗散能量。 這一重要發現使赫爾斯和泰勒在1993年榮獲諾貝爾物理學獎。
直到2015年，我們才首次直接觀測到重力波，這是由兩個黑洞合並產生的。這一歷史性事件被路易斯安那州和華盛頓州的LIGO探測器成功捕捉到。為了表彰在這一發現中所做的貢獻，雷納·魏斯、基普·索恩和巴瑞·巴瑞什於2017年被授予諾貝爾物理學獎。現在，重力波天文學透過分析這些波動，幫助我們深入了解雙星系統、黑洞以及大爆炸後早期宇宙的諸多事件。
愛因斯坦的廣義相對論
大質素物體周圍的時空曲率受其質素和與質素中心距離的影響。
在愛因斯坦的廣義相對論框架中，重力不再被視為一種神秘的遠距作用力，而被解釋為 質素存在導致的時空曲率 。在這個理論中，時空被視為一個四維結構，其中包含三個空間維度和一個時間維度。當一個區域內的質素越大，它對周圍時空的彎曲也就越明顯。而具有質素的物體在這樣的曲率時空中的運動，特別是在加速過程中，會引起時空曲率的變化。這種變化以波狀形式向外擴散，即我們所說的重力波，它們以光速傳播。
當重力波經過觀察者時，它們會略微扭曲時空，導致物體之間的距離隨波的傳播呈現出微小的、周期性的變化。這種效應的強度會隨著距離波源的遠近而減弱。例如，在兩個中子星緊密旋轉並最終合並的事件中，它們會產生強烈的重力波。這是因為在合並過程中，它們以極高的速度加速運動。然而，由於這類事件通常發生在遙遠的宇宙深處，它們到達地球時的影響極其微弱，其變化振幅可能小於10²⁰分之一。
在廣義相對論的視角下，我們將探測到的重力波理解為時空的漣漪。相對地，如果不考慮廣義相對論，人們可能會錯誤地將這些波解釋為雙星系統軌域運動的直接結果。實際上，當雙星系統的兩個恒星圍繞共同的質心旋轉時，它們的運動會產生重力波，其頻率是雙星系統軌域頻率的兩倍。
追溯到過去
黑洞合並
重力波具有探索遙遠宇宙奧秘的獨特能力 ，它們能夠到達電磁波無法觸及的空間角落。這一特性使得我們能夠觀測到黑洞合並等極端宇宙事件，甚至可能探測到更多奇異的宇宙現象。與傳統的光學或射電望遠鏡不同，這些器材無法捕捉到這類現象，因此重力波天文學成為了探索宇宙新領域的關鍵工具。
對於宇宙學家來說，重力波尤其引人註目，因為它們 提供了一種觀測宇宙早期階段的可能性 ，這在傳統天文學中是不可實作的。特別是在宇宙的重組時期之前，由於宇宙對電磁輻射的不透明性，常規方法無法穿透這一「迷霧」。而重力波可以。此外，透過精確測量重力波，科學家還可以對廣義相對論進行更深入的驗證。
重力波的頻率範圍極為廣泛，它們可能出現在從極低頻到極高頻的任何頻段。例如，使用脈沖星計時陣列，科學家們可以檢測到非常低頻的重力波。脈沖星的訊號就像極為精確的時鐘，透過分析這些訊號中由重力波引起的微小變化，我們能夠了解諸如大質素黑洞合並這樣的宇宙大事件。科學家們，如史帝芬·霍金和沃納·以色列等，曾提出重力波的頻率可能覆蓋從極低到極高的廣泛範圍。
宇宙速度極限
重力波本質上是時空結構中的漣漪，以光速在各個方向穿越空間。
宇宙中存在一個速度極限，這就是光速，通常表示為「c」。光速不僅適用於光本身，而且也 是自然界中任何事物能夠達到的最大速度 。這個速度值是恒定的，不會因為觀察者的運動狀態或者光源和重力源的移動而改變。
光速的這一特性是現代物理學的一個基本原則。它不僅適用於光，還適用於所有無質素的粒子和波動，例如重力波、膠子（負責傳遞強相互作用的粒子）以及光子（光和電磁輻射的基本粒子）。科學界還在探索一種理論粒子——重力子，這種粒子假設與重力的傳播有關，但目前還沒有直接觀測到它們的存在。為了更好地理解重力子，我們需要一個能夠將重力與量子物理結合起來的理論，但這樣的理論目前尚未完全形成。
2017年8月的一個重大發現顯著推進了這一研究領域。當時，LIGO和Virgo探測器在Gamma射線衛星和光學望遠鏡幾乎同時從同一方向探測到訊號後，檢測到了重力波訊號。這一開創性的觀測活動證實了重力波傳播的速度與光速相一致，這一發現為理解宇宙中的這一速度極限提供了重要證據。
理解重力波的微小效應
幹涉儀探測重力波的原理圖
重力波持續不斷地穿越地球，但由於它們的效應非常微小，尤其是當它們來自遙遠的宇宙空間時，這些效應通常難以察覺。以GW150914事件為例，這一重大的天文事件產生的波穿越了約十億光年的距離才抵達地球。當這些波到達時，它們引起了LIGO探測器中4公裏長的臂產生微小的長度變化，這種變化的振幅僅為一個質子直徑的千分之一。這種效應可以用一個生動的比喻來說明：它就像是太陽與其最近的恒星之間的遙遠距離，發生了一根頭發的寬度變化那麽微小。為了探測到如此微小的變化，需要極其精密的科學儀器。
為了更好地理解重力波的效應，可以想象一個完全平坦的時空區域，其中靜止的測試粒子排列在一個平面上，類似於電腦螢幕的表面。當一個重力波垂直於這個平面（即沿著觀察者視線方向進入螢幕）傳播時，這些粒子會以一種特定的「十字形」模式振蕩，從而響應波的影響。重要的是要註意，在這個過程中，這些測試粒子形成的封閉區域的面積保持不變，且粒子不會沿著波的傳播方向產生實際移動。
在上面的動畫演示中，為了讓大家更清楚，我誇大了重力波的效應。實際上，根據線性化重力理論，重力波引起的空間變化非常微小。不過，這種誇張的動畫有助於展示重力波在兩個物體相互繞行時的工作原理。
我們假設一個場景：如果有兩個物體相互繞行，重力波的振幅保持不變，但它的振動模式會發生變化，可能以它們圓周運動的兩倍速度旋轉。這會導致重力波的振幅隨時間增大和減小，正如動畫中所示。如果物體的運動更接近橢圓形，那麽重力波的振幅也會隨時間變化，這種變化遵循愛因斯坦的四極矩公式。
重力波，像所有波一樣，具有幾個關鍵特征：首先是振幅，通常表示為「h」，它代表波的大小或波對空間的拉伸和擠壓程度。在動畫中，這個振幅可能在視覺上被誇大，但實際透過地球的重力波非常微弱，其振幅大約是10⁻²⁰的微小數值。
接著是波速，表示波上某一點（如振幅的最大值或最小值）的移動速度。對於振幅小的重力波，這個速度與光速相符。頻率，用「f」表示，是指波的振蕩或擺動頻率，而波長，用「λ」表示，是指波上兩個振幅最大點（或最小點）之間的距離。
波速、波長和頻率之間的關系可以透過等式 c = λf 來描述，這與控制光波的等式相似。例如，如果在動畫中描繪的重力波是每兩秒振蕩一次，則頻率為0.5 Hz，波長大約為600,000公裏，這約是地球直徑的47倍。
重力波產生的動力學
兩顆中子星碰撞的模擬動畫
重力波的產生與物體的加速度變化以及運動的對稱性密切相關 。具體來說，只有當物體的運動不具有完美的對稱性時，它們在加速或其加速度發生變化時才會產生重力波。例如，一個繞其中心軸自轉的啞鈴形物體不會產生重力波，因為其運動具有對稱性。然而，如果這個啞鈴以頭尾翻滾的方式運動，類似於兩個行星繞共同質心的軌域運動，就會產生重力波。重力波的振幅會隨著翻滾物體的質素和速度的增加而增大，例如快速旋轉的大質素恒星就是這種情況的一個極端例子。
在日常情況下，物體的相互繞行、行星的不對稱旋轉，或者超新星的爆炸（除非是完全對稱的）都會產生重力波。相反，不自旋的物體的穩定直線運動或圓盤的均勻旋轉並不產生重力波，這是由動量守恒原理決定的。此外，僅僅大小發生變化的脈動球形恒星也不會發出重力波，這符合伯克霍夫定理。從技術角度來講，產生重力波需要四極矩隨時間發生非零變化，這與產生電磁輻射所需的變化偶極矩相似。
能量、動量和角動量
重力波能夠從其源頭傳播能量、動量和角動量 ，其功能與水波、聲波和電磁波類似。例如，在雙星系統中，兩個旋轉的物體在靠近時會損失角動量，重力波便透過輻射將這部份角動量帶走。
此外， 重力波也能攜帶線性動量 ，這在天體物理學中具有深遠的含義。例如，在兩個超大質素黑洞合並的過程中，由重力波帶走的線性動量，可能導致合並後的黑洞經歷顯著的「踢出」效應，其速度可能高達4000公裏/秒。這種力量足以將黑洞從其宿主星系中脫離出去。即便這種「踢出」的力量不足以將黑洞完全脫離開，也可能導致黑洞暫時偏離星系中心，產生擺動，最終重新穩定下來。被踢出的黑洞可能帶動周圍的星團，形成一個超緊湊的恒星系統，或者攜帶氣體，使反沖黑洞暫時表現為裸露的類星體。
與光波類似，重力波的長度和頻率會因源頭和觀察者之間的相對運動（都卜勒效應）而發生改變。這種變化也受到時空扭曲的影響，例如宇宙膨脹，盡管重力波本身也是由重力引起的時空扭曲。重要的是， 重力波的這種顏色或紅移的變化與因重力引起的紅移（即重力紅移）是不同的。
在廣義相對論的框架中，太陽和行星會導致時空彎曲或扭曲而這一理論的標準量化形式涉及無質素重力子傳遞重力
在量子場論中，重力子被理論上認為是重力的載體 ，但目前還沒有直接證據證實它們的存在。科學家們仍在努力將廣義相對論（解釋重力）與標準模型（描述其他基本力）相結合，但目前尚未成功。盡管有如量子重力等嘗試來彌合這一差距，這些理論還沒能被廣泛接受。
如果重力子確實存在，科學家估計它們是沒有質素的（因為重力似乎具有無限的作用範圍），且是自旋為2的玻色子。任何無質素的自旋為2的場都將產生與重力相同的作用力，因為它們與應力-能量張量以與重力場相同的方式相互作用。因此，發現無質素的自旋為2的粒子可能意味著找到了重力子，這將是量子理論與重力結合的重大突破。
由於重力與物質的相互作用較弱，重力波即使在穿越宇宙的長距離後也幾乎不會被吸收或散射。不同於光和其他電磁輻射，重力波不太可能受到早期宇宙不透明性的影響。在宇宙的早期階段，空間尚未變得「透明」，所以使用光和射電波觀測那個時期的宇宙是受限的，或根本不可能。因此，重力波有可能提供關於早期宇宙的寶貴觀測資訊，這是其他方法無法提供的。
直接探測重力波極具挑戰性，對單個探測器來說確定訊號來源的位置也很困難。這就是使用多個探測器的原因。透過部署多個探測器，可以確保訊號不僅僅是地球上的幹擾，並且可以使用一種稱為三角測量的方法來確定波的來源方向。這種方法的工作原理是這樣的：由於重力波以光速傳播，它們會在不同的探測器上在不同時間到達。即使這些時間差只有幾毫秒，我們也能利用這些資訊精確地確定波源的方向。在GW170814事件中，三個探測器同時工作，大大提高了確定方向的準確性。這三個探測器都探測到了該事件，使我們能夠比以前更準確20倍地確定源頭的位置。
微波觀測和宇宙起源
利用分布在銀河系中的脈沖星測量重力波背景的影像
在過去一百年間，隨著新觀測方法的引入，天文學經歷了巨大的變革。一開始，天文學家依賴於可見光觀測，這一方法最早由伽利略·伽利雷使用望遠鏡開創。然而，可見光只占電磁譜的一小部份，並非所有遙遠宇宙中的物體都能在這個頻段內發出明亮的光。利用不同的波長，如射電波，能揭示出更多的細節。透過射電望遠鏡，天文學家已經發現了諸如脈沖星和類星體等現象。
利用微波波段進行觀測甚至允許我們探測到大爆炸留下的微弱痕跡 ，這一發現被史帝芬·霍金譽為「至少是本世紀最偉大的發現」Gamma射線、X射線、紫外線和紅外線觀測的進展，為天文學帶來了新的見解。每探索光譜的一個新區域，都會帶來以前不可能的獨特發現。天文學界對重力波持有類似的樂觀態度，相信它們將揭示宇宙的新秘密。
重力波具有兩個重要且獨特的特性。首先，它們不依賴於附近的物質就能產生。例如，一個由不帶電的黑洞組成的雙星系統可以發射重力波，而不會發出任何電磁輻射。其次，重力波幾乎不受任何物質的顯著散射影響。不同於光波可能被星際塵埃阻擋，重力波幾乎無礙地穿過各種物質。這使重力波成為了研究以前未被人類見過的天體事件的寶貴工具。
此前，我們討論了來自低頻源的重力波。而在光譜的另一端，存在高頻波。這些可能是大爆炸的遺留物，甚至有可能在實驗室中產生。一個有趣的假設是，由哈伯太空望遠鏡觀測到的在碰撞星系中合並的超大質素黑洞，可能由於重力波的影響而被彈射出去。
小編對重力波的發現感到非常興奮，因為它們為我們理解宇宙開辟了一個全新的視野。這一開創性的發現預示著物理學中一個全新的研究領域的誕生。有了這個強大的工具，我相信科學家能夠解開宇宙中一些最深奧的謎團。
