重力波與黑洞
若說起近年科普界最火紅的關鍵字，絕對少不了「重力波」。重力波爆紅的原因，無非是位於美國的雷射干涉儀重力波觀測站（ LIGO ）在 2015 年首度觀察到來自一場黑洞合併事件引起的重力波，並於 2017 年獲得諾貝爾物理獎的肯定。重力波到底是什麼？和黑洞又有什麼關係？2019 年中研院院區開放日，中研院物理所吳建宏研究員的精彩演講「利用重力波探測宇宙黑洞」，要跟大家聊聊重力波大小事。
重力像水波？
宇宙萬物之間都有重力，比如說，地球是因為具有重力，才能把我們「吸」在地表上；太陽是因為具有重力，才能讓八大行星不斷繞著它公轉。
不過，愛因斯坦的廣義相對論中，認為重力是來自空間的扭曲，質量愈大的物體，周圍的空間就扭曲的愈厲害。而當物體加速度前進時，則會使空間的扭曲發生變化、產生「漣漪」，這就是「重力波」。吳建宏形容：「就像水中的漣漪那樣，水波是依賴著水而存在，重力波則是依賴著空間而存在。」
既然宇宙中有那麼多天體，而且質量大的也不少，可以想像我們所處的「空間」到處都是重力波，一點也不平滑，反而可能像處處水波蕩漾的大池塘，真是顛覆直覺！
既然重力波到處都是，為什麼在愛因斯坦 1916 年提出重力波之後，我們相隔了約一百年，才終於透過 LIGO 找到了它存在的證據呢？
因為重力波能引起的「波動」非常的小，科學家估計即使是劇烈的天體合併事件，能引起的重力波所造成的空間擾動，傳遞到地球時，數量級也頂多只有 10-12 比 1，換算下來，一個一公里長的物體，因為重力波而造成的改變量只有千分之一個原子核直徑那麼長而已，也難怪愛因斯坦在提出重力波之後，曾說過「我們可能永遠測量不到重力波的存在。」不過，幸好如此，我們才不會感覺自己一下子變矮、一下子又變胖，對吧？
儘管連愛因斯坦都沒把握測得到，但不要小看科學家的鬥志。既然波動很小，我們就設計超級精密的儀器來測量它！在科學家大無畏的精神下製造出的 LIGO ，精確度數量級硬是高達了 10-22 ！
在愛因斯坦提出重力波的一百年後，我們終於找到了重力波存在的證據。
LIGO 的完美 L
科學家是怎麼做到的呢？答案就在 LIGO 超特別的設計裡。LIGO 包含了一組相互垂直、呈 L 形的兩根管子，每根管子的長度都是四公里。一開始，從交角處出發的雷射光，會被分光鏡分成兩道，各自沿著兩根管子前進，再由管末的反射鏡反射回來。雷射光來回反射四百趟之後，會在交角處會合並互相干涉。
在沒有重力波的情況下，從兩根管子回來的雷射光走的路程長度完全相同，在干涉過程中會彼此抵消，不會產生訊號。但如果重力波引起空間扭曲，就可能對兩根管子的長度產生影響，拉伸或壓縮了一點點，兩道雷射光的光程就會有些微不一樣，回到交角處時的相位也會有一點點差異，這一點點的差異就足以讓 LIGO 精密的干涉儀器產生干涉訊號，讓科學家知道：「嘿！剛剛有重力波經過這裡！」 （相關報導： NASA捕捉萬年一遇的「宇宙犯罪現場」：怪物黑洞撕碎、吞噬和太陽一樣大的恆星 ｜ 更多文章 ）
換言之，儘管重力波能產生的空間擾動超級小，但 LIGO 把雷射光的光程拉得超級長，盡可能把重力波造成的空間擾動放大到可觀測的程度，然後等待足夠大的重力波來臨時，就是我們窺探它的好機會。
