從1916年愛因斯坦首次推導出引力波的波動方程至2014年的近百年中，引力波一直無法被直接探測到，也因此幾乎從未得到大眾的關注。但近兩年來，引力波卻突然成為極其熱門的詞彙，至少3個與其相關的重大事件引發了全世界的關注。第一次是2016年2月11日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣佈，該天文臺於2015年9月14日直接探測到一個來自13億光年之外的黑洞與黑洞併合產生的引力波。這標誌著引力波時代的到來。
2017年10月3日，LIGO項目的3位領袖科學家韋斯、索恩與巴里什共同獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。而在2017年北京時間10月16日22時，LIGO宣佈探測到1.3億光年之外的一對中子星併合發出的引力波。同一時刻，世界上其他十幾個機構（如美國宇航局、歐洲南天天文臺、中國科學院紫金山天文臺和清華大學等）也宣佈探測到了伴隨這次引力波的伽瑪射線暴、光學暫現源（千新星）以及拋射物與星際介質碰撞後激發出的X射線輻射與射電輻射。
這3次事件都引發了世界性的轟動。那麼，引力波究竟是什麼？
引力波理論的先驅
一切有質量的物質之間都存在引力，故而引力是與我們生活密切相關的力。1687年，偉大的物理學家、數學家和天體力學家牛頓出版了《自然哲學的數學原理》，首次證明：兩個物體之間的引力與物體質量乘積成正比，與距離平方成反比，力的方向與兩個物體連線重合。這本書的出版，標誌著牛頓力學的建立。在牛頓力學體系中，力可以瞬間傳播，或者說，力傳播的速度無窮大。
1805年，著名的天體力學家與數學家拉普拉斯提出，如果引力的傳播速度是有限的，那麼在類似地球與太陽的雙星系統中，引力的方向不在二者的連線上，而是存在偏離。在這種情況下，系統的動量（等於動量乘以軌道半徑）和能量就會產生損失。但當時拉普拉斯還沒有引力波這一概念，直到1893年，英國物理學家赫維賽德根據引力與電磁力的大小都與距離平方成反比這個類似性，提出物體也會發出引力波。
時至1905年，偉大的物理學家愛因斯坦發表《論運動物體的電動力學》，開創狹義相對論。這一理論的基本假設為：在一切慣性參照系中，光在真空中的傳播速度都等於常數c，且速度的大小與光源的運動狀態無關。建立在這一假設之上的情況將變得非常有趣，例如你乘坐一艘以0.5c的速度運動的飛船航行，沿著飛船運動的方向，用激光器發出一束速度為c的光，那麼根據牛頓力學中的“速度疊加原理”，這束光的速度實際上將是 1.5c。但根據狹義相對論，光的速度卻依然是c，這就是光速不變原理。狹義相對論的另一個結論為：光速是一切速度的極限，真空中運動的物質的速度不可以超過光速。同年，著名數學家、天體力學家和數學物理學家龐加萊猜測：引力波的速度等於光速。
廣義相對論、時空彎曲與引力波
赫維賽德和龐加萊都是引力波研究的先驅人物，但他們都無法描述出引力波的具體特徵。直到1915年，愛因斯坦創立了廣義相對論。廣義相對論將狹義相對論推廣到可以描述存在引力的情形，從而成為新的引力理論。廣義相對論認為：有質量的物體導致周圍時空的彎曲，彎曲的時空“告訴”其中的物體受到的引力作用的方向、大小，從而確定物體在彎曲時空中的運動軌跡。1916年6月，愛因斯坦利用廣義相對論推導出引力波傳播的方程和引力波輻射的公式，在理論上正式確定了引力波的存在。
總結愛因斯坦這兩年的工作，主要的理論研究成果有：1.物質使時空彎曲；2.如果物質的運動滿足一定條件，就會使它周圍的時空的彎曲率發生變化；3.時空彎曲率的這種變化導致遠處時空的彎曲率隨之變化，就像水波一樣向外傳播。這是時空彎曲率（對應“引力”）變動（對應“波”）的傳播，因此就是此前的先驅們所說的“引力波”。愛因斯坦的計算還表明，引力波的傳播速度的確等於光速。
在此基礎上，我們可以將電磁力和引力做一個類比，以加深對引力波的認識：變速運動的帶電物質（比如電子）會發出電磁波，損失能量；變速運動的物體在滿足某些額外條件時，同樣會發出引力波，損失能量。例如地球繞著太陽做橢圓運動，就會產生引力波。這樣的雙星系統損失引力波，會導致其軌道不斷收縮，直至最後碰撞在一起。當然，引力波輻射導致的軌道收縮的時間太長，哪怕50億年之後太陽死亡，地球都無法運動至太陽目前的表面，自然不可能與太陽碰撞在一起。
然而，引力波與電磁波實際存在著巨大的區別。在真空中傳播時，電磁波本身產生波動，但真空不會隨之變動。而引力波本身就是時空的波動，因此向外傳播時，時空同樣變動。就如我們向平靜的湖面投出石塊，石塊落水後水面就會產生波動，並且向周圍傳播，形成漣漪。引力波就如同時空的漣漪。
宇宙中主要的引力波源
宇宙中的大量場所都能夠產生引力波，實際上，任何兩個天體相互繞轉做偏離嚴格圓周（如橢圓）的運動，都會輻射引力波。一般這類系統輻射出的引力波非常弱。但特殊的情況依然存在，宇宙中某些天體輻射出的引力波非常強烈，產生的時空波動也較明顯，尤其是密度非常高的中子星和黑洞。
這裡先簡單介紹一下中子星和黑洞的概念。中子星是一類高度壓縮的天體，其半徑只有10千米左右，但其質量卻可以比太陽還大。天文學家已經發現了一些質量超過2個太陽質量的中子星，但就理論而言，中子星的質量不太可能超過3個太陽質量。初始質量超過太陽8倍的大質量恆星演化到晚期後，一般會爆炸形成超新星，同時在中心區域遺留下中子星，這是絕大多數中子星的來源。中子星的質量越大，半徑就越小，密度也就越大。我們可以想象，如果在中子星表面放置一件物體，它的重力會比放在地球上的同樣物體受到的重力大得多，甚至大到無法用牛頓力學精確描述，而要用廣義相對論來計算。
一旦中子星的質量超過約3個太陽質量，其內部就再也沒有可以抵抗強大引力的力量了，於是就收縮成黑洞。黑洞的質量往往集中於一個點，而與這一點相差一定距離內的地方，連光都無法逃脫。這樣的地方一般為球面或者橢球面，術語為“視界面”。由於光無法逃脫，視界面以內的黑洞是無法被看到的。
迄今天文學家通過觀測確認的黑洞主要有以下3類：恆星級黑洞（質量從幾個太陽到上百個太陽質量）、中等質量黑洞（質量一般為上千到幾萬個太陽質量）和超大質量黑洞（幾百萬個太陽質量到幾百億個太陽質量）。恆星級黑洞又有以下3種產生機制：某些中子星因為吸收過多物質，導致無法支撐自己，收縮為黑洞；某些大質量恆星在爆發為超新星後，中心直接形成黑洞；或是大質量恆星到了晚期，由於能量不足，無法將自身炸開，從而整個星體收縮為黑洞。
宇宙中存在大量雙恆星系統，它們由兩顆恆星構成，圍繞著共同的中心（“質心”）旋轉。如果雙恆星系統的成員星都是大質量恆星，那麼到了晚期，這些成員星演化的中心遺蹟很有可能是中子星，當然也可能是黑洞。假如雙恆星爆炸後系統依然沒有被拆散，就形成了中子星和中子星系統、黑洞和黑洞系統或者黑洞和中子星系統。這三類系統被統稱為“緻密雙星系統”。緻密雙星系統在繞著質心旋轉的過程中，發射出較強烈的引力波，從而導致系統軌道較快地縮短。在最後時刻，系統的軌道半徑縮小到接近零，即兩顆星體表面貼在一起，發生併合。併合前後瞬間輻射出的引力波最為強烈。
20世紀70年代，赫爾斯和泰勒研究了中子星與中子星構成的系統PSR 1913+16，通過射電脈衝觀測，精確測量並計算出其軌道週期的變化規律，發現確實存在軌道收縮、週期變短的現象，且其變化值與廣義相對論計算出的理論值完全吻合，從而間接證明了引力波的存在。憑藉這一重要科研成果，他們兩個人在1993年獲得諾貝爾物理學獎。
除了上文提到的3類系統之外，宇宙中還存在著大量同樣能夠產生引力波的天體，例如超新星不對稱爆發、星系中心的超大質量黑洞“吞噬”恆星過程。這些天體產生的引力波與以上3類緻密雙星系統的併合，構成了宇宙中短暫爆發的引力波事件的主要來源。此外，按照現代宇宙大爆炸理論，大爆炸也產生了引力波，它的頻率極低，瀰漫於整個宇宙，形成“宇宙背景引力波”的一部分；形狀不規則中子星也持續不斷地輻射出微弱的引力波。以上種種引力波輻射，強度、頻率與時間演化等特徵都各不相同。
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