今天我要來談談重力波,主要的動機是因為最近重力波的觀測有了非常重大的進展。聽到重力波三個字,我們通常會很直觀的把它和水波或是繩波聯想起來,其實這樣的聯想是非常有用的。你可以把三維空間想像成一個平靜的湖面,而重力波就是湖面上的水波。的確,重力波就像水波一樣,但不同的是水波是水中的漣漪、而重力波則是時空中的漣漪。這個說法會立刻引發一個問題,重力波是在什麼樣的時空中傳播呢?從目前的理論,我們已經可以清楚的計算出重力波在平坦時空(也就所謂的閔可夫斯基時空 Minkowski spacetime)、不旋轉的黑洞時空(Schwartzschild black holes)以及旋轉的黑洞時空(Kerr black holes)下的傳播行為。當波源(例如兩個黑洞互繞)產生出重力波,重力波會以光速並且是球面波的形式傳播出去。但是我們在地球上所預期觀測到的重力波卻是平面波的形式,這是為什麼呢?其實這不難想像,重力波從波源處以球面波的方式傳播出去,當傳到距離波源很遠的地方(例如地球附近)時,這時球面波的半徑很大,而地球附近的範圍大小是遠小於球面波的半徑。所以我們只能觀察到球面波的某一小部份,而這個部份的波動行為就跟平面波完全一樣。這就像是地球是圓的,但是在你所居住的區域,你會覺得地球表面是平的一樣。然而在黑洞附近的重力波行為和地球附近是非常的不同。舉個例,一道重力波從黑洞外面往黑洞方向射入時,重力波不會全部射進黑洞,而是在黑洞附近,一部分的重力波會射進黑洞,而另一部分則被反彈離開黑洞。這個現象就像是你拿一條不均勻的繩子,一部分是粗的而另一部分是細的。當繩波從細的部分傳遞到粗的部分,有一部分的繩波會傳過去,而另一部分會反彈回來。所以黑洞附近的時空幾何,會讓一道射向黑洞的重力波,產生部分折射,部分反射。重力波在平坦時空中(也就是地球附近)傳播就不會發生這樣的現象。

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