每当宇宙中的任何两个物体在时空中的同一位置相互作用时，有一件事始终是正确的：那就是它保存了能量。但是，如果其中一个东西是时空结构本身固有的实体，如引力波。当引力波与物质、能量或像引力波探测器这样的复杂装置相互作用时，波本身能否将能量转移到与之相互作用的物体上？
图注：这里所示的高级LIGO实验中的镀膜和冷却反射镜对撞击它们的每一个光子都有响应。引力波的探测依赖于反射镜的位置变化和它通过引力波所经历的光子路径长度的变化。众所周知，当我们探测到电磁波（无论是无线天线、眼睛还是相机传感器）时，我们从电磁波中吸取能量。引力波也能如此，原因如下文。
图注：这张光子能量与锌原子中束缚电子的电子能量的函数关系图表明，在某一频率（或能量）以下，锌原子不会产生光子。这与强度无关。然而，超过一定的能量阈值（在足够短的波长下），光子总是把电子“踢出”。当你继续增加光子能量时，电子会以越来越快的速度被喷射出来。这看起来似乎违反直觉，因为我们一直在使用该术语，但是“能量”实际上是什么意思？定义它的方法有很多，但是物理学一直对术语的定量含义感兴趣：“它在做什么”和“按多少”是我们希望一个好的定义能揭示的答案。对于能量，一些更常见的是：
能量是进入或离开一个系统一段时间的能量，能量是执行工作的能力（施加一种力，使物体在力的方向上移动一定的距离），或者能量是引起系统运动或结构变化所需要的。它有许多不同的形式——势（储存）、动力（运动）、化学（电子键）、核（原子核释放）等等——但它对所有形式的物质和辐射都是普遍的。
图注：氢原子中的电子跃迁，以及由此产生的光子的波长，在量子物理学中展示了结合能的影响以及电子与质子之间的关系。氢的最强跃迁是Lymanα（n=2到n=1），但它的第二强跃迁是可见的：Balmerα（n=3到n=2）。电磁波携带能量，这是我们所知道的最容易理解的辐射形式。电磁波从伽玛射线穿过可见光一直进入光谱的无线电部分，不仅与物质相互作用并传输能量，而且还以单个能量包的形式进行传播：量子以光子的形式发生。
我们始终使用现代技术提取和测量单个光子的能量。爱因斯坦首先进行了关键实验，结果表明即使是极少量的紫外光也可以将电子从导电金属中踢出，但是较长波长的光，不管它显示的强度有多大，根本不会把这些电子从导电金属中踢出。光被量化为很少的能量包，该能量可以转移到物质上，并转换为其他形式的能量。
图注：光电效应根据单个光子的波长，而不是光强度、总能量或任何其他性质，详细说明了电子是如何被光子电离的。如果一个量子的光具有足够的能量，它可以与一个电子相互作用并使其电离，把它踢出物质，从而产生一个可探测的信号。今天，我们认识到光既是电磁波，也是一系列粒子（光子），在这两张图片中，光的能量都相同。它帮助我们了解日常现象是如何在能量背景下发生。
当可见光照射你的视网膜并刺激你的视杆细胞和视锥细胞时，细胞中分子的电子会转换成不同的结构，从而刺激某些神经，并向你的大脑发送（视觉）信号，从而解释你所看到的场景。当无线电波经过或穿过天线时，电波产生的电场使天线内部的电子移动，将能量转移到天线中，从而产生电信号。当光线进入数码相机时，光子会撞击不同的像素，刺激里面的电子元件，将能量传递到其中，从而导致信号被记录，手机的摄像头和哈勃太空望远镜的摄像头成像工作原理都是如此。
图注：大面积CCD对于收集和探测光，以及最大化每个进入的光子，都是非常有用的。单个光子和阵列中的电子之间的相互作用触发了探测器中的电子信号。如果电磁波是这样工作的，那么引力波呢？两者之间有一些相似之处，因为两者都是带电粒子（带电或大质量，即“引力带电”）通过变化的场（电磁场或引力场，即弯曲空间）时产生的。粒子加速器中的电子产生光；黑洞围绕彼此运行产生引力波。
但也可能存在差异。电磁波表现出固有的量子行为，因为这些波中的能量被量化为构成这束光的单个光子。引力波可能表现出量子行为，这些波可能被量化为组成这些波的单个粒子（引力子），但我们没有证据证明这个设想，也没有实际的方法来检验它。
图注：引力波在一个方向上传播，在相互垂直的方向上交替扩展和压缩空间，这由引力波的极化定义。在引力的量子理论中，引力波本身应该由引力场的单个量子：引力子构成。尽管引力波可能会在空间上均匀分布，但振幅（1/r）才是探测器的关键，而不是能量（1/r^2）。但有一点必须是正确的——不管引力本质上是一种量子力，还是爱因斯坦的广义相对论定义那样——那就是这些引力波必须携带能量。这不是一个微不足道的结论，但有三个证据使我们得出了这一结论：一个是理论上的进步，一个是间接测量，另一个是直接测量，弥补了所有剩余的漏洞。
请记住，尽管早在1910年代中期就有人预测过引力波，但没有人知道引力波在物理上真实存在，还是仅仅是数学上的预测而没有物理上的模拟。这些波是真实的吗？它们能把能量转换成真实的能量可测量的粒子吗？1957年，召开了第一届美国广义相对论会议，现在称为GR1。量子场论的伟大开创者之一理查德·费曼（RichardFeynman）提出了现在称为“粘性磁珠论证”的技术。
图注：费曼的论点是，引力波将使质量沿杆运动，就像电磁波使电荷沿天线运动一样。该运动将由于摩擦而引起发热，表明重力波携带能量。粘珠论证的原理随后成为了LIGO设计的基础。想象一下，您有一根细杆（或两个互相垂直的细杆），在杆的两端都有两个小珠。一个珠子固定在杆上，不能滑动，但另一个珠子可以相对于杆自由移动。如果引力波垂直于杆的方向通过，则珠子之间的距离将随着引力波在空间拉伸和压缩时的变化而变化。
但现在让我们介绍另一个东西：摩擦。实际上，两个物理上相互接触的宏观物体将经历碰撞和相互作用——至少在它们的电子云之间——这意味着珠-杆系统将随着珠沿着杆的移动而升温。热量是能量的一种形式，能量必须来自某个地方，唯一可以确定的罪魁祸首就是引力波本身。引力波不仅携带能量，而且能量可以被转移到由正常的日常物质构成的系统中。
图注：当引力波通过空间中的某个位置时，它将在交替的时间沿交替的方向引起膨胀和压缩，从而导致激光臂的长度在相互垂直的方向上发生变化。利用这种物理变化，我们成功开发了引力波探测器，例如LIGO和Virgo。下一个飞跃来自于对双系统脉冲星的观测：两颗中子星不仅相互绕轨道运行，而且它们都以我们在地球上能够成功观测到的每一次旋转发射射电脉冲。通过测量这些脉冲随时间变化的特性，我们可以重建这些中子星的轨道是什么，以及这些轨道是如何随时间变化的。
值得注意的是，我们发现这些轨道正在衰变，好像有什么东西带走了它们的轨道能量。广义相对论（下面的实线）和观测（下面的数据点）的计算结果一致，证实了对引力波带走的能量的明确、定量的预测。这些引力波不仅肯定携带能量，而且对于它们从一个源头携带了多少能量的明确预测，也得到了第一个和现在许多绕轨道运行的双星系统的验证。
图注：从发现的第一个双星中子星系统开始，我们就知道引力辐射正在带走能量。在螺旋和合并的最后阶段找到一个系统只是时间问题。但还有一步有待验证：引力波能量转化为物质的过程如何？这将是引力波探测器（如美观国家科学基金会的LIGO）工作所需的关键步骤。在10亿光年之外，两个36和29个太阳质量的黑洞合并，将大约3个太阳的质量转换成纯能量。
当这些波到达地球时，它们已经扩散开来，因此只有3600万J的能量影响到整个地球：大约相当于曼哈顿从0.7秒的阳光中获得的能量。LIGO探测器中的反射镜被移动了不到千分之一个质子的宽度，从而改变了光路并改变了光子能量。在每个探测器中沉积的焦耳不到一微焦耳。然而，这足以导致一个富有活力的检测，不仅是第一次探测到引力波，现在已探测到50多个独立的与引力波相关事件。
图注：当两臂长度完全相等且没有引力波通过时，信号为零，干涉图样为常数。随着臂长的变化，信号是真实的和振荡的，并且干扰模式以可预测的方式随时间变化。你能直接探测到引力波或任何信号的唯一方法，就是它是否对你用来测量它的系统有物理影响。但我们所有的探测系统都由物质构成，在这个系统中引起物理变化就等于改变了它的结构：一种需要外部能量输入的东西。无论采用何种方法，探测总是需要能量的沉积。
为了让引力波探测器工作，有三件事必须是真的。引力波必须携带能量，这种能量需要产生足够的能量，当它到达地球时能够影响探测器，我们需要建立一个足够智能的探测器来提取这种能量，并将其转化为可观测的信号。值得注意的是，从最初的想法暗示到直接探测，人类只用了一个世纪就达到了目的。
