什麼是重力波?

Question

什麼是重力波?為什麼會有的?

Answer 1

物理中，在重力的度規理論，重力波是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞。重力輻射是另外一種稱呼，指的是這些波從星體或星系中輻射出來的現象。
重力波相當微弱，我們所預期在地球上可觀測到的最強重力波會來自很遠且古老的事件，在這事件中大量的能量發生劇烈移動（例子包括兩顆中子星的對撞，或兩個極重的黑洞對撞）。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動，但這些變動的數量級應該頂多只有1021分之一。以LIGO重力波偵測器的雙臂而言，這樣的變化小於一顆質子直徑的千分之一。這樣的案例應該可以指引出為什麼偵測重力波是十分困難的。
重力波的存在而且也真的無所不在，是廣義相對論中一項毫不模糊的預言。所有目前相互競爭而且被「認可」的重力理論（「認可」：與現前可得一切證據能達到相當準確度的相符）所預言的重力輻射特質即各有千秋；而原則上，這些預言有時候和廣義相對論所預言的相差甚遠。但很不幸地，現在要確認重力輻射的存在性就已相當具有挑戰性，更不用說要研究它的細節。
雖然重力輻射並未被清清楚楚地「直接」測到，然而已有顯著的「間接」證據支持它的存在。最著名的是對於脈衝星（或稱波霎）雙星系統PSR1913+16的觀測。這系統被認為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環繞對方。其並且呈現了漸進式的旋近(in-spiral)，旋近時率恰好是廣義相對論所預期的值。對於這樣的觀測，最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對論一定是對這種系統的重力輻射給出了準確的說明才得以如此。泰勒和赫爾斯因為這些成就共同獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。
微擾法 對 精確解
重力波和電磁波性質迥異，理由是電磁波可以精確地從麥克斯韋方程式推導出來。然而重力波，作為線性、自旋-2的波，常被看作僅僅是特定時空幾何的微擾罷了。換言之，現實中總是會有線性、自旋-1的電磁波，卻不存在有線性、自旋-2的重力波。雖說仍有波樣的擾動，但一般來講，一如廣義相對論中總會出現的，事物是非線性的。這也是重力子可能不存在的理由之一。
重力波會傳遞能量
科學社群中有部分人一開始對於「重力波是否會如同電磁波一般可以傳遞能量」感到困惑，這樣的困惑來自於一項事實：重力波沒有局域能量密度——如此對於應力-能量張量的量值不會造成貢獻。不像牛頓重力，愛因斯坦重力不是一項力理論。重力在廣義相對論中不是一種力，它是幾何。因此這樣的場原來被認為不含能量，一如重力勢。然而這場確實可以攜帶能量，如同它可以在遠處作出機械功。而這已經用可傳輸能量的應力-能量偽張量進行證明過，也可看出輻射是如何將能量往外攜帶到無限遠處。
文獻


B. Allen, et al., Observational Limit on Gravitational Waves from Binary Neutron Stars in the Galaxy. The American Physical Society, March 31, 1999.

Gravitational Radiation. Davis Associates, Inc.

Amos, Jonathan, Gravity wave detector all set. BBC, February 28, 2003.

Rickyjames, Doing the (Gravity) Wave. SciScoop, December 8, 2003.

Will, Clifford M., The Confrontation between General Relativity and Experiment. McDonnell Center for the Space Sciences, Department of Physics, Washington University, St. Louis MO.

Chakrabarty, Indrajit, "Gravitational Waves: An Introduction". arXiv:physics/990804 1 v1, Aug 21, 1999.


參考資料: WIKIPEDIA

Answer 2

第一種意義是指相對論中的重力波(gravitational wave
第二種意義是指地球科學與流體力學中另一種性質迥異的波動


第一種意義
物理中，在重力的度規理論，重力波是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞。重力輻射是另外一種稱呼，指的是這些波從星體或星系中輻射出來的現象。

重力波相當微弱，我們所預期在地球上可觀測到的最強重力波會來自很遠且古老的事件，在這事件中大量的能量發生劇烈移動（例子包括兩顆中子星的對撞，或兩個極重的黑洞對撞）。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動，但這些變動的數量級應該頂多只有1021分之一。以LIGO重力波偵測器的雙臂而言，這樣的變化小於一顆質子直徑的千分之一。這樣的案例應該可以指引出為什麼偵測重力波是十分困難的。

重力波的存在而且也真的無所不在，是廣義相對論中一項毫不模糊的預言。所有目前相互競爭而且被「認可」的重力理論（「認可」：與現前可得一切證據能達到相當準確度的相符）所預言的重力輻射特質即各有千秋；而原則上，這些預言有時候和廣義相對論所預言的相差甚遠。但很不幸地，現在要確認重力輻射的存在性就已相當具有挑戰性，更不用說要研究它的細節。

雖然重力輻射並未被清清楚楚地「直接」測到，然而已有顯著的「間接」證據支持它的存在。最著名的是對於脈衝星（或稱波霎）雙星系統PSR1913+16的觀測。這系統被認為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環繞對方。其並且呈現了漸進式的旋近(in-spiral)，旋近時率恰好是廣義相對論所預期的值。對於這樣的觀測，最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對論一定是對這種系統的重力輻射給出了準確的說明才得以如此。泰勒和赫爾斯因為這些成就共同獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。


第二種意義
重力波在流體力學，是在液體介質內或兩種介質界面間(例如大氣與海洋間)的一種波，其恢復力來自於重力或浮力。當一小團液體離開液面(界面類型)或者在液體中到了一個液體密度不同之區域(液體內類型)，透過重力作用，這團液體會以波動形式在平衡態之間擺盪。

在液體介質內的類型又稱為內波，在兩界面間的類型又稱為表面重力波或表面波。海浪及海嘯也是重力波的一種表現。

重力波的傳播速度以c表示，重力加速度以g表示；其與波長及液體深度相關。