宇宙伸懶腰的聲音（二）

英文有兩組關於 “感知能力” 的字群：
    Sense, sensitive, sensory, sentient, sensible, sentinel ...
    Perceive, perception, perceptive, perceptual, perceptible ...

Sense 較被動，是世界在感官留下印記，如風吹皺一池春水。Perceive 較主動，是運用感官探索，向世界投石問路。不論主動被動，人的確為有情生靈 - sentient being - 對世界充滿了好奇心。科學家將此好奇心推向極致，肉眼所不能見行跡所不能達之處，也欲一探究竟，因此發展科學儀器，令感知能力超越肉體的局限。我們今日享受的許多文明成就，從照相機、顯微鏡、電視、手機、網路、衛星天線、醫療影像，皆可視為人類的延伸感官 (extended sensory).

用來研究重力波的雷射干涉儀，LIGO，可謂目前人類最精密的延伸感官。2015年9月14日，相隔兩千英哩的兩座觀測站同時聽到了宇宙伸懶腰的聲音。經過幾個月仔細驗證，LIGO 科學社群（NSF, MIT, Caltech, etc) 終於在今年，2016年2月11日召開記者會，宣布這一個來自13億光年處兩個迴旋撞擊的黑洞所發出的 “聲音”。許多科學粉絲已將此變成手機鈴聲；這無疑是目前最為深邃的聲音，請你多聽幾遍。

（宇宙伸懶腰的聲音 - 其實信號經過變頻，以便讓人耳聽到）

兩個黑洞，每個直徑150公里，30個太陽的質量，以一半光速繞著彼此，然後撞擊合併。這是電腦模擬的過程 (7:00-9:40). 它們撞擊時釋放出3個太陽的能量，扭曲空間結構而產生重力波，聽起來好似亂石崩雲驚濤裂岸般壯烈的星際海嘯。沒錯，黑洞的撞擊確如巨石入水，但巨石投入的不是個淺淺池塘，而是廣大深沉的大海，因此巨石不能掀發巨浪，僅能激起泡沫。宇宙的時空結構非常穩定，如緊繃的鼓面，否則我們以及億萬蟲豸豈能在星際海嘯中安然無事？

星際海嘯傳到地球的時候已極其微弱。多麼微弱呢？它造成的空間扭曲僅僅為10的21次方之一。就是說，若要觀察到氫原子大小的時空扭曲，需要地球到太陽三分之二的距離，或者260倍地球到月亮的距離。若要觀察到氫原子核大小的時空扭曲，則需要1750公里的距離。LIGO 的雷射干涉儀有兩隻L形的手背，長僅4公里，因此必須能夠觀察到氫原子核數百分之一大小的空間扭曲。

（位於美國華盛頓州 Hanford 的雷射干涉儀，LIGO)

（LIGO 靈敏度 vs. 氫原子核 vs. 氫原子大小的示意圖)

這才是真正的不可能的任務。觀測儀建在地球上，受到各式各樣的干擾；幾個氣體分子飄過，些許震動，一點點溫度變化造成的物質伸縮，就沒戲唱了。講到這裡一般讀者應該已經一頭霧水，因為大多讀者對光學或雷射干涉儀並不熟悉。

其實人們對光學干涉現象知之甚早。1717年牛頓對牛頓環發生興趣（當然那時不叫牛頓環）；1801年楊氏的雙狹縫干涉實驗奠定了光的波動性質。19世紀中期科學家用干涉儀準確測量光速，並用干涉儀粉碎了以太理論（ether theory)。干涉儀也是今天超高速光纖傳輸使用的關鍵器件。

（牛頓環，Newton's ring）

下圖的桌上型干涉儀稱作 Michelson Interferometer，與Michelson & Morley 在1887年進行實驗所用的一樣。分光鏡令光源各行其路，歧路之光各被鏡子反射；反射光復經分光鏡到達感測器。感測器同時看到來自兩個光路的光線，因兩個光路路徑長度的差異，遂看到了干涉現象（可以是光強度的變化，也可以是干涉圖像）。關鍵處在於將路徑的差異轉化為感測器所收到信號的變化，這是許多技術了不起的地方：欲測量A但是直接測量非常困難或根本不可行，於是發明一種儀器將A轉變成B，然後測量B，最後根據A與B之間的理論關係推導出A。這過程看似彎彎曲曲，但與世上許多事情一樣，間接的方式經常比直接的方式更可行。而且往往另闢蹊徑，開啟新的領域。

（桌上型干涉儀）

LIGO 干涉儀是桌上型的放大版，每條光路達4公里長；做成L形手臂，一條光路因重力波而伸張，另一條則壓縮。宇宙之欠身，遂又靠光子來闡明。愛因斯坦有知，寧不頷首微笑？

LIGO 干涉儀靠許多尖端技術打造而成；是以雖早在1970年代就有初步構想，但得等待40年技術的進展才收割成果。比如長達4公里長的手臂置於超穩定防震結構及超真空之中（約大氣壓的10的12次方之一）。反射鏡則懸掛著，如下圖所示，以隔離震動及熱脹冷縮的影響。整個系統除了經過精密的經常的校準，為了避免誤讀，LIGO 團隊更蓋了兩座觀測站，一西北的華盛頓州，一在東南的路易斯安娜州，相隔3000公里，以排除任何地區性的局部干擾現象。就是說，必須兩座觀察站同時看到，才有可能是真的信號。除了實驗團隊，理論團隊亦功不可沒。他們用超級電腦模擬，進行種種繁複計算；事實上，在如此奧妙精微的測量裡，實驗必須臣服於理論 - 別忘了一切皆源於愛因斯坦的一紙方程式！

浩瀚宇宙中，人類何其渺小，然而其延伸感官的意志力與執行力卻何其強大。這個禮讚雖發諸情感，也證諸近世經濟力量生產方式的蛻變。所謂知人論世，若不知科學不曉技術，可得全貌乎？

（LIGO 所用懸掛式反射鏡）