引力波是否攜帶能量,能否吸收和轉換?

何為能量的轉換？當我們看見光的時候是光被通過視覺細胞吸收轉換成電信號傳輸給我們的大腦，所以我們才能看見萬物。當我們要發現一種能量時，首先要對這種能量進行探測，而探測的過程就是讓該能量顯現，顯現的結果就是轉換成各種我們能看見的信號，這個過程就包含了對能量的吸收和轉換，而引力波已經被我們探測到了！

圖：LIGO探測器

因為目前引力子並沒有被探測到，在講這個問題之前，我們想要明白我們所認識的能量是如何傳遞的，依此有一個類比。能量是什麼：

我使勁把一個原來靜止在地面的足球踢了出去，我對足球做了功，做功的這種能力就是能量。

一個橡皮泥本來是恐龍性狀，我給團成了圓球，使它的結果發生了變化，使物體結構發生變化也叫能量

玩具車跑了2公裡，電池源源不斷為其輸入電能，電能也是能量。

能量環繞在我們日常生活中，石油的化學能，產生陽光的原子核結合能，你身體時時刻刻向外輻射的熱能數之不盡！它們有多種形態，勢能(存儲)、動能(運動)、化學鍵(電子鍵)、原子核(從原子核釋放)等等。

圖：電池中的化學能轉換為電能，電能是燈泡發亮，燈泡向外釋放光子

當我們對物體輸出能量時，構成物質的原子會從基態變成激發態。原子中的電子會從低能態的軌道往高能態發生躍遷，電子達到高能態處於極不穩定的狀態，又會回到低能態。電子獲得額外能量會以光子的形式釋放出去，因為能態之間能量差不同，所以釋放出去的光子也會不同，不同的光子具有不同的能量，具備不同的波長。

圖：氫原子電子躍遷，量子物理中結合能的作用以及電子與質子之間的關係。氫躍遷能量最強為從2-1，122nm波長，緊接著是從3-2。

光子因為具備波粒二象性，所以同時它又具備波動性，如同陽光，它可以輻射的形式向外擴散，不同波段的光，統稱為電磁波。從伽馬射線到可見光，一直到光譜的無線電部分，它們不僅與物質相互作用並傳遞能量，而且我們可以把它看做具有能量的單個粒子，E=hv。

圖：1905年，愛因斯坦獲得了諾貝爾獎，源於它提出了光子的假設，解釋了光電效應。他發現少量的紫外線也可以把電子從金屬導體中激發出來，但是長波光線無論輸出多大的量都無能為力。

光電效應詳細描述了在光子世界中，更看重個體能力，光子是一份份的，波長越短，單個光子的能量越強。光子可以與一個電子相互作用並使其電離，把它踢出材料，從而產生一個可檢測的信號。

因此我們知道光子和電磁波具有的能量是相同的，從這個角度我們可以更好的解釋日常生活中能量轉換的現象：

當可見光照射你的視網膜，刺激你的視覺細胞時，細胞內分子中的電子會轉換成不同的結構，導致某些神經受到刺激，(視覺)信號被發送到你的大腦，於是我們得到了事物的顏色與形態。

當無線電波經過天線或通過天線時，電波產生的電場使天線內部的電子移動，將能量轉移到天線，從而產生電信號。

當光線進入數位相機時，光子會撞擊不同的像素點，並刺激相機內部的電子元件，將能量傳遞給它們，促使信號被記錄下來。

如果說電磁波可以依照光子傳輸能量，那麼引力波是如何輸出能量的?它們兩者之間有一些相似之處，它們都是帶電粒子(引力波為重力帶電)通過變化的場（電磁場和引力場）產生的。粒子加速器中的電子發光。彼此繞行的黑洞會產生引力波。

不同的是，電磁波量子化是已經被我們證實了的，而引力子目前科學家還沒有什麼辦法能夠檢測到它的存在，所以有與沒有，還是未知數。

圖：引力波在一個方向上傳播，交替地在相互垂直的方向上擴展和壓縮空間，這是由引力波的極化決定的。

在引力的量子理論中，引力波本身可能是由「引力子」形成的。雖然引力波可能均勻地散布在空間中，但對於探測器來說，振幅(1/r)是關鍵量，而不是能量(1/r^2)。無論引力本質上是一種量子力，還是愛因斯坦的廣義相對論中的時空漣漪，它攜帶能量是毋庸置疑的。

圖：2015年9月14日黑洞合併的數據，在合併過程中，有三個太陽質量消失了。

2015年LIGO探測到了引力波的存在，在10億光年之外，兩個質量分別為36和29倍太陽質量的黑洞合併在一起，將大約三個太陽質量的質量轉化為純能量。

這些波在宇宙擴散開來，地球接收到的能量只有3600萬焦耳，相當於北京不到1秒接收到的陽光所具有的能量。LIGO探測器的鏡子移動的距離不到一個質子寬度的千分之一。不過這足以證明引力波改變了光的路徑和光子能量。

圖：當兩臂長度完全相等且沒有引力波通過時，信號為零，幹涉圖樣為常數。當臂長變化時，信號是真實的，並且是振蕩的，我們通過幹涉圖樣隨時間變化的方式來觀察光子受到引力波的影響，發生了能量的變化程度。

我們能直接探測到引力波或任何信號是因為它對測量系統有物理上的影響。而我們所有的探測系統都是由物質構成的，在這個系統中引起物理變化就相當於改變了它的結構，如同橡皮泥的恐龍，這需要輸入外部能量。無論採用何種方法，探測的過程都需要能量的沉積。

因此引力波必然是攜帶能量的，這些能量在到達地球時能夠影響探測器，我們需要建造一個足夠聰明的探測器來提取這些能量，並將其轉化為可觀察到的信號，這就是引力波的能量吸收與轉換。