什么是引力波？它和电磁辐射有什么关系？

当爱因斯坦提出广义相对论时，它不仅动摇了200多年来的物理学基础，而且彻底摧毁了人们对时间和空间的固有认知，取而代之的是一个完整可变的时空结构。相对论认为，在四维“时空”中，空间和时间各有自己的维度，时空结构会因为物质和能量的存在而改变，物质和能量的运动方式也会因为时空结构的改变而改变。从引力红移到星光因物质的存在而发生弯曲，这一系列不可思议的预测都证实了相对论的正确性。

既然，物质/能量的存在会扭曲空间，那么物质的运动可以扰动时空产生涟漪吗？当时爱因斯坦就是这么考虑的，因此预言了引力波的存在，今天我们说下什么是引力波？我们先从一种类型的波开始，这可能是你最熟悉一种波：水波。

最常见的波：水波

让我们从一个完全静止，平坦的湖面开始。水面一开始保持平静，没有受到任何外力的干扰。这就类似于与一个平整的空间。如果我们把一只昆虫轻轻地放到水面上会发生什么？这就类似于往空间中放了一个有质量物体。

上图可以看到昆虫轻微地扭曲了水面，这是因为施加在昆虫身上的重力对水表面也施加了一个力，导致了水面的弯曲。如果我们把一个物体从很高的地方扔到水面上，那么我们会看到什么？

我们会看到溅起的水花，然后波浪向四周扩散，这种水波涟漪生活中随处可见。当我们扰动水面时，波/能量会以特定的速度向外传播，这个速度是由波所经过的介质（水）特性决定的。也就是说介质就决定了波的传播速度。

电磁波是如何产生的

如果我们开始观察一个量子化的现象：光波，情况仍然是类似的，但只是不那么直观而已。虽然我们时时刻刻能看到光，但我们从来不会看到光是如何波动的。

光也可以被看作是在时空中移动的涟漪。它有一种特殊的能量，由其频率/波长决定，它有一个移动的速度，也就是光在它所经过的任何介质中的速度，它朝一个特定的方向移动，这个方向由它产生时的条件所决定，然后沿着时空曲率所决定的路径移动。

但是这些光是如何产生的呢？一个真正的光子是如何形成的呢？一个方法是来自于粒子（或反粒子）之间的直接相互作用：任何两个相互作用的粒子发生相互作用时，就可以产生光子。但产生光子的概率是有限的。

但还有另外一种方式，一种更有趣也更相关的方式：带电粒子在磁场中运动。

当带电粒子在磁场中运动时，磁场会改变带电粒子粒子的运动方向，这就是洛伦兹力，其方向总是和粒子的运动方向垂直。但是当一个带电粒子在磁场中移动的时候，它也会以光子的形式发出辐射：低能量的回旋辐射，或者更相对论（或加速）条件下的同步辐射。这就是场和运动的带电粒子的相互作用。

这种辐射不仅发生在地球上的实验环境中，也发生在宇宙的自然实验室中，比如在银河系附近最大、质量最大的星系梅西耶87中心黑洞的“喷流”中。最后，我们来看看引力。

引力波是如何产生呢？

电有两种电荷（正电荷和负电荷），而万有引力只有一种：质量，或者更准确地说是能量。虽然电场和磁场都可以影响带电粒子，但引力只有一种场叫引力场，是由空间曲率引起的引力场。

然而，在我们的宇宙中，引力和电磁力的情况是一样的：我们有通过引力场运动的“引力带电粒子”。

虽然物理学在技术层面上，在细节上有一些细微的变化，但跟电磁力同样的现象也出现了：辐射被发射了出来。然而，在这种情况下，发射的不是电磁辐射，而是引力辐射！以光速穿过时空结构本身的涟漪，在运动时携带着能量。我们也可以从电磁辐射和引力辐射的产生机制中，看到自然界的对称性。

在不断变化的引力场中，例如当一颗中子星与另一颗退化的恒星残骸合并或在一个紧密的衰变轨道中存在时，引力辐射效应在快速加速的质量中得到了最大化。这也为我们探测引力辐射提供了机会。

这些时空波动就是引力波或引力辐射，它们会在任何介于其间的物质或电磁辐射的大小和方向上造成非常特殊的扭曲。

从理论上讲，这些引力波可以通过长基线干涉测量直接探测到，包括LIGO合作项目。

2016年2月11日，LIGO和Virgo科学合作组织宣布他们首次直接观测到了引力波。该观测是在5个月前也就是2015年9月14日，使用先进的LIGO探测器进行的。这次的引力波起源于一个双黑洞系统的合并。在最初的公告之后，LIGO仪器又探测到了两个确认的引力波事件，以及一个潜在的引力波事件。在2017年8月，两个LIGO仪器和Virgo仪器观测到了黑洞合并产生的第四次引力波，和双星合并产生的第五次引力波。

2017年，诺贝尔物理学奖授予了Rainer Weiss、Kip Thorne和Barry Barish，以表彰他们在直接探测引力波方面的贡献。

我们不仅探测到了引力波，也看到了双星脉冲星轨道因为引力辐射多年后发生的衰减，在观测上符合广义相对论的预测。另一方面，广义相对论也预测这些轨道衰变的机制是通过引力辐射发射能量。引力波的探测是对最伟大的物理学理论最有力的证实。

什么是引力波？

它们是一种新的辐射形式（引力辐射）是由大量携带能量的粒子穿过引力场产生的。当这些粒子加速或引力场发生变化时，辐射会变得更强，随着时间的推移，它会以光速带走能量，导致轨道衰变，这也是一个全新的天文学领域：引力波天文学！

其实我们地球每天都在受到引力波的冲击，但无奈引力是一种最弱的力，我们无法感知到引力波的存在，如果可以的话，我们应该能看到一个物体在一个方向上被拉伸，在另一个方向上被压缩。这就是引力波对物体的影响。

在宇宙暴胀期间，除了产生大爆炸所需的条件以外，还产生了引力波。我们无法看到宇宙诞生后38万年间发生了什么，因为那时宇宙对光不透明，但是这并不能阻挡引力辐射，因此如果我们能探测到来自大爆炸产生的引力波，将会为我们提供宇宙诞生时的些许信息。