引力波是如何形成的？为什么我们感觉不到它？

我们在地球上，能够时时刻刻地感受到重力的作用。任何有质量的物体之间，都会产生万有引力，而万有引力在地球上，则可以将我们与地面紧紧地联系在一起。当然，重力或者说是万有引力，绝不仅仅是将两个物体结合在一起的力这么简单。我们根据对爱因斯坦广义相对论的理解，引力可以在特定的情况下，在宇宙中产生时空涟漪，从而产生引力波。

引力波是如何产生的？

爱因斯坦于1915年正式提出了广义相对论，这个理论是在之前狭义相对论的基础上，进一步将时间、空间、质量、能量、力等进行了统一。在广义相对论中，引力被描述为时空中的一种曲率几何属性，即任何有质量的物体，都会在宇宙中引发时空弯曲，这个弯曲的曲率（弯曲程度的大小）与物质本身的质量以及辐射的能量－动量张量有直接的关系，它们之间的关系可以用引力场方程加以阐释。

根据引力场方程，爱因斯坦以及后来的科学家们，预测出了有关时间膨胀、光的红移、引力波、黑洞等宇宙现象，而且所有的预言，迄今为止已经被众多的观测和实验所印证。对于引力波的预言，其实在广义相对论提出后不久，爱因斯坦预测出引力波的存在，不过他却对这个结果产生怀疑，因为引力波的推倒，是通过广义相对论的简化形式出现的，爱因斯坦当时还不知道引力波到底是真实存在还是简化过程的产物。

大家知道，广义相对论的引力场方程求解很困难，毕竟它是由10个二阶非线性偏微分方程所组成的方程组，可以用如下的方程式进行表达。

方程的左边代表的是时空曲率，表明宇宙时空的几何弯曲程度；方程的右边表达的是物质的能量动量，体现的是物质的存在状态。引力场方程与测地线方程一起，共同构成了广义相对论的核心。爱因斯坦之后的科学家们，花了几十年时间，才得出广义相对论支持引力波真实存在的确切结论。

按照广义相对论，宇宙中凡是牵涉到有质量物质的运动，在运动过程中都会产生引力波。正如我们在水中投掷一个石子，水体的扰动可以产生水波；击打架子鼓时，鼓面的运动引发空气的振动可以产生声波；如果能将物体组成的微观原子中的电子形成摆动，那么就可以形成电磁波。而要形成引力波，我们只需要将物体进行加速，理论上就可以实现。

引力波一旦形成，那么就会以光速从源头向四外传播，形成时空涟漪。所以，我们处在地球上，当然在任何时候，都会有引力波穿透我们的身体，我们的身体也会在引力波的作用下，产生一定程度的挤压或者拉伸，这些都是理论上的，而且是客观存在的。

为什么我们感觉不到呢？

尽管宇宙中几乎所有的物体，都一直在持续地产生引力波，但相信我们中的所有人，对此根本没有留意，或者说根本没有觉察到引力波的存在。究其原因，是因为引力波所产生的作用效果太过于微弱了，简直可以忽略不计。

在物理学中，目前发现宇宙中存在着四种基本作用力，分别为强核力、弱核力、电磁力和引力，其中引力是四种基本作用力中作用效果最弱的成员。即使将引力放大到十亿倍，它仍然要落后于其它几种基本力好几个数量级。而引力波是引力发生变化后引发的时空弯曲作用，作用效果会更加微弱。

这就是理论上我们使劲挥舞胳膊能够产生引力波，但实际上几乎不存在的重要原因。如果要使引力波的作用效果变得明显，那么就必须严重弯曲宇宙的时空，从而需要从根本上需要非常大的质量和能量变化。因此，在宇宙中，能够引发可供人类观测到的引力波，也只有像黑洞合并、黑洞吞噬中子星或者恒星、中子星碰撞、超新星爆发等极端事件，才可以引发非常剧烈的时空波动。

假如我们处在两个黑洞合并时事件视界的数公里半径范围，那么合并事件所发生的引力波，肯定会将我们撕碎。但是，如果处在几百公里之外，引力波的作用效果就变得非常弱了。所以，我们可以想象，在地球上，探测引力波的难度有多大。上述那些宇宙的极端事件，所发生的区域，距离地球少说也有几百万光年，多数都在数亿甚至几十亿光年之外。到达地球上的引力波，波的振幅宽度都赶不上原子中质子直径的大小，大家可以想象一下，这是何其微弱的振动。

引力波的探测

引力波极其微弱的特性，是造成科学家们很长时间没有探测到它们的根本原因。直到2015年，激光干涉引力波天文台 (LIGO)才首次直接探测到引力波的存在，其目标来源于14亿光年之外两个黑洞的合并事件。

虽然从遥远天体事件所发出的引力波到达地球后已经非常微弱，但是引力波还有一个特殊的特性，那就是几乎不与物质发生相互作用，从而可以在整个宇宙中自由传播而不会发生散射或者吸收，因此，科学家们可以通过监测到的引力波，来分析其背后所隐藏的信息。

比如，两个黑洞发生碰撞，如果不发出任何形式的电磁辐射，那么对于天文望远镜来说就力不能及了。但是，在两个巨大黑洞合并时，会以引力波的形式释放大量能量，据科学家判断，所释放的能量，将要比可见宇宙中所有恒星产生的能量总和还要多。引发的时空涟漪，才得以传递到地球，从而被地球上的特殊仪器侦测到。

从2015年首次探测到引力波后，这5年的时间里，激光干涉引力波天文台 (LIGO)和意大利的处女座引力波探测器，已经探测到了50个左右的黑洞碰撞事件。目前，引力波探测已经从之前的偶尔性工作演变为一个成熟的天文学分支。利用引力波这个宇宙中最为微妙的振动，相信在不久的将来，科学家们一定会揭开更多宇宙运行的新奥秘。