重力波專輯、〈重力波偵測器的概念與技術〉補充連結及勘誤

從2015年相對論百年的慶祝活動到2017年諾貝爾獎頒發，已經有許多關於重力波介紹的好文， 詳細介紹了重力波的發展歷史、基本原理、背後的小故事。 像是Daniel Kennefick 在世界物理年美國《今日物理》雜誌9月號曾回顧愛因斯坦和知名學刊《Physical Review》之間的一段過往 （Physics Today 58, 9, 43 (2005)）， 此間多位學者都有精彩的文章引介。有興趣的讀者也可以參閱Kennefick 的專書 《Traveling at the speed of thought: Einstein and the quest for gravitational waves》（Princeton University Press, 2007）。 《科學月刊》548期（2015年8月）廣義相對論百年專輯，林俊鈺博士與游輝樟教授的 〈來自深空的交響詩—重力波〉 涵蓋了重力波和數值相對論的基本概念。 576 期（2017 年12 月）諾貝爾獎特別報導， 實際參與LIGO計畫的潘皇緯在〈證實重力波存在的功臣 雷射干涉重力波觀測站〉介紹了LIGO偵測器的原理，特別包含了反射鏡的一些細節； 倪維斗教授〈無遠弗屆、鉅細靡遺 全方位的重力波探測〉 從科學的宏觀角度回顧並展望重力波研究的過去與未來。

通俗科學雜誌的讀者訴求和專業期刊畢竟有所區隔。 物理學會的科普刊物《物理雙月刊》照例會在每年年初專注報導當屆諾貝爾物理獎的相關研究。 在這樣的時間點上還要推出一個重力波專輯需要多花一些工夫，除了儘量避免重複的內容，新材料也不宜太過艱澀。 要適度的呈現重力波這主題，讓讀者能看見這領域的前景，是規劃時的主要考量。 對於這個已經發展了一百年的課題，只要找出具有前瞻性的切入點，仍然可保有它的吸引力。 在若干可能的選項中，並考量國內學者的相關研究近況，最後決定專輯規劃的方向以「重力波偵測的關鍵技術與應用」為主軸。 專輯沒有打算成為一本重力波百科全書或教材，只是透過相關領域專業的眼光把「偵測重力波」新近的研究發展介紹給讀者。

饒兆聰教授團隊不僅參與第一次中子星碰撞和先前其他重力波事件的搜尋，也正帶領學生積極參加設備更先進的ZTF計畫。這是由美國加州理工學院所主導的「史維基瞬變探測器」（Zwicky Transient Facility，ZTF），可望在多元訊息天文學時代扮演更重要的角色。 偵檢出微弱重力波信號的關鍵之一是透過相對論來計算重力波的波形，包含振幅、相位、極化方向等特性。以雙黑洞合併過程為例，可分為旋進互繞（inspiral）、碰撞合併（merger）、鈴震（ringdown）三階段。雙星最初互相靠近，像是脈衝雙星（binary pulsar），可以透過post-Newtonian的展開來處理；雙黑洞合一的最後階段可藉由黑洞微擾的分析與quasi-normal mode來計算；重力波信號最強的碰撞合併過程只能透過數值相對論的計算模擬。 Simulating eXtreme Spacetimes，SXS計畫結合了歐美幾個重量級研究機構和學者，其中包刮2017諾貝爾物理獎得主之一的索恩教授，專注於數值相對論的研究。SXS在網頁裡解釋了相對論研究近年的重要歷史背景和SXS計畫的研究動機，重力波偵測和數值相對論正是近代相對論研究的兩大主軸，但是後者的研究進展相對的緩慢，投入的資源也相對不足。 林俊鈺博士與游輝樟教授的〈從愛因斯坦方程式到超級電腦黑洞模擬－數値相對論發展歷史〉介紹了這段艱辛的歷程，文中提到的開源程式碼可以參考 The Einstein Toolkit網站的介紹。

〈重力波偵測器的概念與技術〉（原本標題〈重力波偵測器的科學原理〉）是發表在《科學月刊》578期（2018年2月）的另一篇專輯文章。這裡提供編輯前的初稿 （純文字與所有附圖，其中圖二是出刊後才修正的版本）。
圖三編輯部改用576期潘皇緯文中編輯部重製的附圖，圖說則維持原稿；其他單張附圖如下（pm3d版未刊出）：
圖一Michaelson干涉儀
圖二（出刊後更正版）LIGO干涉儀主要架構
圖四a 量子簡諧運動基態的相空間（phase space）圖示。量子化的電磁場真空也顯現相同的量子起伏特性。 古典的真空對應圖中的原點，量子態則必須是一個分布。
圖四a上（Wigner函數）、 圖四a上（Wigner函數，pm3d版）
圖四b 緊挾基態（或真空緊挾態）的相空間圖示。在某些特定相位方向的量子起伏可能比真空還要小。但是，整體仍然滿足測不準原理。
圖四b上（Wigner函數）、 圖四b上（Wigner函數，pm3d版）

二月出刊原文中有一段最後排版編輯時有些失誤，第134頁左起第一欄第二段前半部分修正如下：
[出刊原文]
古典簡諧運動好比理想的彈簧，
靜止時位移和動量都是零。子
起伏，滿足測不準原理。忽略
質量和彈簧常數等人為係數（選
擇自然的單位），相圖上任一點
和原點的距離（平方）直接對
應到簡諧運動的總能量（動能
加位能= 位移²+ 動量²）。量
子簡諧運動，基態的平均位移
和平均動量都是零，但是有量
教科書上量子簡諧運動的基態
波函數是一個高斯分布，...

[應該更正如下]
古典簡諧運動好比理想的彈簧，
靜止時位移和動量都是零。忽略
質量和彈簧常數等人為係數（選
擇自然的單位），相圖上任一點
和原點的距離（平方）直接對
應到簡諧運動的總能量（動能
加位能= 位移²+ 動量²）。量
子簡諧運動，基態的平均位移
和平均動量都是零，但是有量子
起伏，滿足測不準原理。
教科書上量子簡諧運動的基態
波函數是一個高斯分布，...

此外，網頁上和出版刊物81頁所顯示的578期目錄都將此文標題寫成「重力波偵測器的概念與技術史」，和原文有出入。數值相對論一文確實談論比較多歷史發展，〈重力波偵測器的概念與技術〉一文則是著重在偵測重力波的基本科學原理，尤其是LIGO當前最主要的兩大雜訊來源，從古典物理講到近代物理，希望能讓不同領域的讀者都能夠更深入的了解其中的技術關鍵。如果您對重力波的發展史感興趣，不妨參閱先前介紹的幾篇文章，以及年重力波發現後由陳江梅教授等三人在中華民國物理學刊合寫的論文（英文）：
C.-M. Chen et al., A brief history of gravitational wave research, Chinese Journal of Physics (2016), DOI: 10.1016/j.cjph.2016.10.014
(ADS, arXiv)
LIGO的白皮書是〈重力波偵測器的概念與技術〉一文主要的參考資料之一，譬如干涉臂中的雷射功率等數據，以2017年版的白皮書為主。延伸閱讀等其他文獻做為參考。 延伸閱讀3的LISA計畫書LISA Mission L3 Proposal（2017/01/20）也可以參考LISA網站。距離目前預計的發射時間2030年代中期還有十多年，屆時重力波和其他天文物理研究又會呈現什麼樣的宇宙面貌，頗值得青年朋友們認真思考。