引力波：物理与数学之火花

回想我们之前将空间设想成一大张具有弹性的橡皮膜，由于橡皮膜受到扰动会产生波动，因此当空间受到扰动时也会产生波澜，那就是引力波。简单地说，引力波就是空间随着时间而产生伸张、变形；实际效应就是当两个人静止不动时，若有一引力波于此刻通过，他们之间的距离会随着时间改变，来回振荡。可是引力波是如何产生的？又为什么会产生呢？

广义相对论的精义在于“空间告诉物质如何运动，而物质告诉空间如何扭曲”。我们可以想象物质与空间的关系就像是很多小球落在一有弹性的橡皮膜上，橡皮膜可能自己抖动，也可能因为小球的运动而被迫抖动。这种模拟可以用来理解空间几何的两种可能变化：一种是空间自发性的变动，另一种则是因为物质能量起伏牵动空间的扰动。因此，我们可以想象除了早期宇宙空间自发性的波动外，脉冲双星（Pulsar binary）运动、超新星爆炸或黑洞相撞等，按爱因斯坦的理论来预测都应该造成空间的剧烈变动，产生引力波。回归到远古时期的宇宙，暴胀不仅会造成能量密度的起伏，同时也会制造出引力波。太初时期的引力波就是由暴胀机制产生的。(www.xing528.com)

由于空间的弹性系数非常巨大，因此振荡起来的波幅极小，直接测量引力波便成了一件异常艰难的工作，测量仪器也一直在持续改进中。因为引力波实在太微弱，所以测量仪器的信噪比很重要。就像是要收听信号微弱的电台频道，常常因为背景噪声过于嘈杂而无法分辨，引力波的测量也有相同的困扰。所以，降噪一直是引力波探测仪的一个研究重点。除了直接测量之外，我们也可以寻找引力波在宇宙中所留下的迹证。这好比观测一片干涸的地面，地形的结构可以告诉我们河流曾经存在的证据。在台湾西海岸的沙滩，每当退潮后，沙滩上遗留下来的潮汐痕迹就是一例。同理，引力波拉扯着空间，造成宇宙背景辐射与其中的粒子运动受到影响，进一步地影响到电磁辐射与电子间的交互作用。基本上，引力波造成空间的拉扯，在其间的背景辐射密度也跟着有所变动。如果把电子当成探测器，那电子就会看到本来是温度均匀的背景，因为引力波通过，而测到某个方向的温度变高（空间被压缩）。相反地，在另一个方向上温度就会降低（空间被拉扯）。当电子再辐射光时，就会把看到的信息反映在辐射里。这些辐射会混在宇宙微波背景中，形成可观测的迹证，也就是CMB上的特殊B模态图案。