宇宙不是一個靜止、穩定的地方。在大量簡單原子的集合中，氣體雲崩塌形成恆星和行星，然後它們經歷各自的生命週期。超大質量的恆星將在諸如超新星之類的災難性事件中死亡，產生諸如中子星和黑洞之類的恆星殘餘。這些中子星和黑洞中的許多將被激發併合並，以引力波的形式釋放出巨大的能量。以這種方式產生的光和粒子能夠對地球造成損害，但是引力波本身呢？

圖注：兩個黑洞合併的說明，質量與LIGO第一次看到的相當。在一些星系的中心，可能存在超大質量的雙系統黑洞，產生一個比這個圖示強得多的訊號。如果黑洞離地球足夠近，它們原則上可以向地球輸送足夠的能量，從而產生明顯的影響。

廣義相對論，我們現在的引力理論，最早是由愛因斯坦於1915年提出的。就在第二年，1916年，愛因斯坦自己得出了他的理論的一個意想不到的性質：它允許一種新的輻射的傳播，這種輻射在自然界中是純引力的。這種輻射，今天被稱為引力波，具有一些易於提取的特性：它們沒有質量，以引力的速度傳播，而引力的速度應該等於光速。

圖注：愛因斯坦

但不明顯的是，至少不是馬上，這些波是否是真實的，物理的，攜帶能量的現象，或者它們是否是一個沒有任何物理意義的純數學人造物。1936，愛因斯坦和納森·羅森寫了一篇論文，叫做《引力波存在嗎？》在提交給《物理評論》雜誌的論文中，他們認為引力波不存在。

他們爭辯說，這些引力波只存在於數學中，並不存在現實物理中，就像我們推斷在標尺末端的"0"在物理上不存在一樣。幸運的是，這篇論文在匿名評審的推薦下被否決了，這位評審人是物理學家霍華德·羅伯遜。

同樣是普林斯頓大學的羅伯遜，偷偷地向愛因斯坦指出了處理他所犯錯誤的正確方法，這推翻了他的結論。1937年重新提交的版本中出現的引力波，在不同的期刊上以不同的標題被接受，它預測了物理真實波。就像電磁有光一樣，光是一種無質量的輻射，攜帶著真實的能量，引力也有一種完全類似的現象：引力波。

圖注：當有兩個引力源（即質量）相互吸引並最終合併時，這個運動會引起引力波的發射。儘管這可能不直觀，但引力波探測器對這些波的敏感度是1/r的函式，而不是1/（r^2）的函式，並且可以看到這些波的各個方向，而不管它們是面上還是邊上，或者介於兩者之間的任何地方。

如果這些波存在，在物理上是真實的，並且也攜帶能量，那麼重要的問題就變成它們是否能將能量傳遞到物質，如果是的話，透過什麼過程。1957年，第一次美國廣義相對論會議，現在被稱為GR1，在北卡羅來納州的教堂山舉行。出席會議的有物理學界的一些巨星，包括布萊斯·德維特、約翰·阿奇博爾德·惠勒、約瑟夫·韋伯、赫爾曼·邦迪、Cécile DeWitt Morette和理查德·費曼。

儘管邦迪會很快推廣會議上提出的一個特定論點，但正是費曼提出了我們現在稱之為“粘珠”論點的推理路線。如果你想象你有一根細杆，上面有兩個珠子，其中一個是固定的，但一個可以滑動，如果引力波垂直於杆的方向穿過它，珠子之間的距離就會改變。

圖注：費曼的論點是，引力波會沿著杆移動質量，就像電磁波沿著天線移動電荷一樣。這種運動會因摩擦而產生熱量，證明引力波攜帶能量。粘珠論證的原理後來將成為LIGO設計的基礎。

只要磁珠和磁珠是無摩擦的，就不會產生熱量，由磁珠和磁珠組成的系統的最終狀態與引力波透過之前沒有什麼不同。但是如果在杆和沿杆自由滑動的珠子之間有摩擦，這個運動就會產生摩擦，產生熱量，這是能量的一種形式。費曼的論點不僅證明了引力波確實攜帶能量，而且還說明了如何從波中提取能量並將其轉化為一個真實的物理系統。

當一個引力波穿過地球時，它對珠杆系統產生的同樣影響也會起作用。當波穿過地球時，它將使垂直於波傳播方向的方向交替地以振盪的方式彼此呈90度角拉伸和壓縮。

地球上的任何東西，只要受到它所佔據的空間的這種運動的能量影響，就會從波本身吸收相應數量的能量，並將這種能量轉化為現實的物理能量，然後在我們的世界上出現。

圖注：俯瞰LIGO引力波探測器。

如果我們考慮一下LIGO觀測到的第一個引力波——在2015年9月14日觀測到，但幾乎是在4年前的今天（2016年2月11日）宣佈的——它由兩個分別由36個和29個太陽質量的黑洞組成，它們合併產生了一個62個太陽質量的黑洞。如果你計算一下，你會發現36+29不等於62。為了平衡該方程，剩下的三個太陽質量，對應於較小黑洞的質量的大約10%，需要透過愛因斯坦的E= MC^2轉化為純能量。能量以引力波的形式在空間中傳播。

圖注：當兩臂長度完全相等且沒有引力波透過時，訊號為零，干涉圖樣為常數。隨著臂長的變化，訊號是真實的和振盪的，並且干擾模式以可預測的方式隨時間變化。

經過大約13億光年的旅程，這些合併的黑洞發出的訊號到達地球，在那裡它們穿過我們的星球。這一能量的一小部分被沉積到位於西澳州漢福德和洛杉磯利文斯頓的兩個LIGO探測器中，導致放置反射鏡和鐳射腔的槓桿臂交替增加和減少長度。人類製造的一個儀器提取的那一點點能量，足以探測到我們的第一個引力波。

當兩個質量相當的黑洞合併時，會釋放出巨大的能量；在200毫秒的時間尺度上，將三個太陽質量的物質轉換成純能量，比宇宙中所有恆星在相同時間內釋放的能量總和還要多。總而言之，第一次引力波包含5.3×10^47J的能量，在最後的毫秒內，其峰值發射功率為3.6×10^49W。

圖注：直接觀測到的第一對黑洞的靈感和合並。總的訊號，加上噪音（頂部）明顯地與合併和吸入特定質量黑洞（中間）的引力波模板相匹配。注意在合併的確切時刻，訊號強度在最後幾個軌跡中達到最大值。

但在10多億光年之外，我們只能看到那能量的一小部分。即使我們考慮到整個地球從這個引力波中所接收到的所有能量，它也只有360億J，相當於：

燃燒六桶（約1000升）原油，Sunny照射在曼哈頓島上持續0.7秒，10000千瓦時的電量，美國家庭的平均年用電量。

宇宙中一個源發出的能量總是像球體的表面一樣擴散開來，這意味著如果你將自己與這些合併的黑洞之間的距離減半，你將獲得的能量將增加四倍。

圖注：亮度與距離關係，以及光源的光通量是如何在距離平方上衰減的。從一個點發射的引力波在能量方面以同樣的方式傳播，但其振幅僅隨距離線性下降，而不像能量那樣隨距離平方下降。

如果這些黑洞不是13億光年，而是在1光年外合併，那麼這些撞擊地球的引力波的強度相當於大約7×10^28焦耳的能量：相當於太陽每三分鐘產生的能量。

但是引力波和電磁輻射（如太Sunny）有一個重要的區別。光很容易被正常物質吸收，並根據它的量子（光子）與我們構成的量子（質子、中子和電子）的相互作用，將能量傳遞給它。但引力波大多直接透過正常物質。是的，它們使它在相互垂直的方向上交替地膨脹和收縮，但波基本上不受影響地穿過地球。只有一小部分能量被沉積，這是一個微妙的原因。

圖注：時空中的漣漪就是引力波，它們以光速向四面八方傳播。儘管引力波的能量像球體一樣散開，就像電磁能量散開一樣，但引力波的振幅只與距離成正比。

當一個引力波被髮射時，它的能量與距離的平方成正比。但是引力波的振幅，也就是決定物質膨脹和收縮程度的東西，只會隨著距離呈線性下降。當第一次黑洞合併時，我們看到來自地球的引力波，我們的行星收縮和膨脹了大約12個質子的寬度。

如果這些黑洞以1光年的距離合並，地球將被拉伸和壓縮約20微米。如果它們合併在地球與太陽的距離相同的地方，整個行星將被拉伸和壓縮約1米（3英尺）。相比之下，這與月球產生的潮汐力每天產生的拉伸和壓縮量差不多。最大的區別是，它會發生得更快：拉伸和壓縮的時間尺度是毫秒，而不是大約12小時。

圖注：月球對地球施加潮汐力，這不僅會引起我們的潮汐，還會導致地球自轉的制動，以及隨後一天的延長。為了使引力波在月球上的潮汐力具有相同的振幅，黑洞黑洞合併將需要發生在太陽距離地球大約相同的距離。

一個足夠大振幅的引力波可以有意義地將能量傳遞給地球。包裹在複雜晶格中的晶體會在整個地球內部升溫，如果引力波足夠強的話，可能會破裂或破碎。地震會波及我們的星球，層疊重疊，在我們的表面造成世界範圍的破壞。間歇泉會噴發得壯觀而不規則，有可能引發火山噴發。即使是海洋也會產生全球海嘯，對沿海地區的影響也不成比例。

但是黑洞合併需要在我們的太陽系內進行才能實現。即使距離最近的恆星很遠，引力波也會幾乎完全不被注意地穿過我們。儘管時空中的這些波紋比任何其他災難性事件都攜帶更多的能量，但它們之間的相互作用非常微弱，幾乎不影響我們。也許最顯著的事實是，我們實際上已經學會了如何成功地探測到它們。