重力波淺談

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。