引力波是如何形成的？爲什麼我們感覺不到它？

我們在地球上，能夠時時刻刻地感受到重力的作用。任何有質量的物體之間，都會產生萬有引力，而萬有引力在地球上，則可以將我們與地面緊緊地聯繫在一起。當然，重力或者說是萬有引力，絕不僅僅是將兩個物體結合在一起的力這麼簡單。我們根據對愛因斯坦廣義相對論的理解，引力可以在特定的情況下，在宇宙中產生時空漣漪，從而產生引力波。

引力波是如何產生的？

愛因斯坦於1915年正式提出了廣義相對論，這個理論是在之前狹義相對論的基礎上，進一步將時間、空間、質量、能量、力等進行了統一。在廣義相對論中，引力被描述爲時空中的一種曲率幾何屬性，即任何有質量的物體，都會在宇宙中引發時空彎曲，這個彎曲的曲率（彎曲程度的大小）與物質本身的質量以及輻射的能量－動量張量有直接的關係，它們之間的關係可以用引力場方程加以闡釋。

根據引力場方程，愛因斯坦以及後來的科學家們，預測出了有關時間膨脹、光的紅移、引力波、黑洞等宇宙現象，而且所有的預言，迄今爲止已經被衆多的觀測和實驗所印證。對於引力波的預言，其實在廣義相對論提出後不久，愛因斯坦預測出引力波的存在，不過他卻對這個結果產生懷疑，因爲引力波的推倒，是通過廣義相對論的簡化形式出現的，愛因斯坦當時還不知道引力波到底是真實存在還是簡化過程的產物。

大家知道，廣義相對論的引力場方程求解很困難，畢竟它是由10個二階非線性偏微分方程所組成的方程組，可以用如下的方程式進行表達。

方程的左邊代表的是時空曲率，表明宇宙時空的幾何彎曲程度；方程的右邊表達的是物質的能量動量，體現的是物質的存在狀態。引力場方程與測地線方程一起，共同構成了廣義相對論的核心。愛因斯坦之後的科學家們，花了幾十年時間，才得出廣義相對論支持引力波真實存在的確切結論。

按照廣義相對論，宇宙中凡是牽涉到有質量物質的運動，在運動過程中都會產生引力波。正如我們在水中投擲一個石子，水體的擾動可以產生水波；擊打架子鼓時，鼓面的運動引發空氣的振動可以產生聲波；如果能將物體組成的微觀原子中的電子形成擺動，那麼就可以形成電磁波。而要形成引力波，我們只需要將物體進行加速，理論上就可以實現。

引力波一旦形成，那麼就會以光速從源頭向四外傳播，形成時空漣漪。所以，我們處在地球上，當然在任何時候，都會有引力波穿透我們的身體，我們的身體也會在引力波的作用下，產生一定程度的擠壓或者拉伸，這些都是理論上的，而且是客觀存在的。

爲什麼我們感覺不到呢？

儘管宇宙中幾乎所有的物體，都一直在持續地產生引力波，但相信我們中的所有人，對此根本沒有留意，或者說根本沒有覺察到引力波的存在。究其原因，是因爲引力波所產生的作用效果太過於微弱了，簡直可以忽略不計。

在物理學中，目前發現宇宙中存在着四種基本作用力，分別爲強核力、弱核力、電磁力和引力，其中引力是四種基本作用力中作用效果最弱的成員。即使將引力放大到十億倍，它仍然要落後於其它幾種基本力好幾個數量級。而引力波是引力發生變化後引發的時空彎曲作用，作用效果會更加微弱。

這就是理論上我們使勁揮舞胳膊能夠產生引力波，但實際上幾乎不存在的重要原因。如果要使引力波的作用效果變得明顯，那麼就必須嚴重彎曲宇宙的時空，從而需要從根本上需要非常大的質量和能量變化。因此，在宇宙中，能夠引發可供人類觀測到的引力波，也只有像黑洞合併、黑洞吞噬中子星或者恆星、中子星碰撞、超新星爆發等極端事件，纔可以引發非常劇烈的時空波動。

假如我們處在兩個黑洞合併時事件視界的數公里半徑範圍，那麼合併事件所發生的引力波，肯定會將我們撕碎。但是，如果處在幾百公里之外，引力波的作用效果就變得非常弱了。所以，我們可以想象，在地球上，探測引力波的難度有多大。上述那些宇宙的極端事件，所發生的區域，距離地球少說也有幾百萬光年，多數都在數億甚至幾十億光年之外。到達地球上的引力波，波的振幅寬度都趕不上原子中質子直徑的大小，大家可以想象一下，這是何其微弱的振動。

引力波的探測

引力波極其微弱的特性，是造成科學家們很長時間沒有探測到它們的根本原因。直到2015年，激光干涉引力波天文臺 (LIGO)才首次直接探測到引力波的存在，其目標來源於14億光年之外兩個黑洞的合併事件。

雖然從遙遠天體事件所發出的引力波到達地球后已經非常微弱，但是引力波還有一個特殊的特性，那就是幾乎不與物質發生相互作用，從而可以在整個宇宙中自由傳播而不會發生散射或者吸收，因此，科學家們可以通過監測到的引力波，來分析其背後所隱藏的信息。

比如，兩個黑洞發生碰撞，如果不發出任何形式的電磁輻射，那麼對於天文望遠鏡來說就力不能及了。但是，在兩個巨大黑洞合併時，會以引力波的形式釋放大量能量，據科學家判斷，所釋放的能量，將要比可見宇宙中所有恆星產生的能量總和還要多。引發的時空漣漪，才得以傳遞到地球，從而被地球上的特殊儀器偵測到。

從2015年首次探測到引力波後，這5年的時間裡，激光干涉引力波天文臺 (LIGO)和意大利的處女座引力波探測器，已經探測到了50個左右的黑洞碰撞事件。目前，引力波探測已經從之前的偶爾性工作演變爲一個成熟的天文學分支。利用引力波這個宇宙中最爲微妙的振動，相信在不久的將來，科學家們一定會揭開更多宇宙運行的新奧秘。