引力的理解歷程，你知道多少？

人類對引力的理解幾經(jīng)多變，比如牛頓引力說、愛因斯坦的廣義相對論和最近引力波的問世?，F(xiàn)在，讓我們跟隨時(shí)間的腳步，一起來回顧一下過去幾個(gè)世紀(jì)以來人類對引力的理解吧！ 

1687年：牛頓引力說（Newtonian Gravity）

 1687年，艾薩克·牛頓爵士（Sir Isaac Newton）發(fā)表了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）一書，書中全面介紹了引力，令天文學(xué)家可預(yù)測行星的運(yùn)動。

但書中對引力的介紹并非問題全無，例如對水星運(yùn)動軌道的精確測量，該書所述就與實(shí)際情況不符。其他行星的引力拖拽會令水星的運(yùn)動軌道不斷進(jìn)動（指自轉(zhuǎn)物體受外力作用，其自轉(zhuǎn)軸繞某一中心旋轉(zhuǎn)），導(dǎo)致水星運(yùn)動軌道中的近日點(diǎn)在每次旋轉(zhuǎn)中都會發(fā)生輕微移動，這樣的現(xiàn)象被稱為水星進(jìn)動。經(jīng)過觀測得到的水星進(jìn)動的實(shí)際速率與根據(jù)牛頓引力理論計(jì)算出的速率有所偏差，雖然這一偏差很小，但足以令天文學(xué)家開始質(zhì)疑牛頓引力說！ 

水星進(jìn)動現(xiàn)象的形象解釋   

 1859年：Vulcan行星 為解釋水星奇怪的進(jìn)動現(xiàn)象，法國天文學(xué)家Urbain Le Verrier提出，一顆名叫Vulcan的行星引力（Vulcan行星的運(yùn)動軌道離太陽更近）在影響著水星的軌道，但天文學(xué)家此后并未觀測到Vulcan行星的存在。 

1905年：狹義相對論

1905年，愛因斯坦（Albert Einstein）提出的狹義相對論震驚了物理界，隨后，他開始把引力因素并入他的研究方程，迎來了下一步的突破。 

1907年：愛因斯坦對引力紅移的預(yù)測

愛因斯坦在完成廣義相對論的研究期間，首次提出了引力紅移效應(yīng)（強(qiáng)引力場中天體發(fā)射的電磁波波長變長的現(xiàn)象，從遠(yuǎn)離引力場的地方觀測時(shí)，處在引力場的輻射源發(fā)射出來的譜線，其波長會變長一些，頻率會變低一些）。他預(yù)言道，強(qiáng)引力場中的原子為躲避引力作用，發(fā)射出來的光的波長就會變長，而變長了的波長會將光子轉(zhuǎn)移至電磁譜的紅色端。 

1915年：廣義相對論

 1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，他根據(jù)廣義相對論精確預(yù)測了水星的運(yùn)動軌道，也計(jì)算出了一度神秘的水星近日點(diǎn)的進(jìn)動速率。廣義相對論還預(yù)言了黑洞和引力波的存在，盡管愛因斯坦自己也經(jīng)常糾結(jié)于如何理解這些理論。 

 1917年：愛因斯坦提出受激輻射理論

1917年，愛因斯坦發(fā)表了有關(guān)輻射的量子理論文章，提出了受激輻射理論。愛因斯坦認(rèn)為，受激原子通過釋放光子形式的能量能自發(fā)地從高能級（激發(fā)態(tài)）躍遷回低能級（基態(tài)）狀態(tài)，這樣的過程就稱之為受激輻射。受激輻射中，原子受到某種光子的激發(fā)，受激后的原子就會躍遷到低能級狀態(tài)，同時(shí)釋放出光子。釋放出的光子與原先激發(fā)原子的光子性質(zhì)相同，頻率相同，傳播方向也相同。受激輻射理論令人們展開了對激光（受激輻射過程中，在某種狀態(tài)下，會出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象，即受激輻射中的光放大，簡稱為激光）的研究。 

1918年：參考系拖拽效應(yīng)的預(yù)言

 1918年，Josef Lense和Hans Thirring通過廣義相對論推導(dǎo)出了參考系拖拽效應(yīng)的相應(yīng)理論——處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)的大質(zhì)量物體會對其周圍的時(shí)空產(chǎn)生拖拽現(xiàn)象 

 1919年：引力透鏡效應(yīng)的首次發(fā)現(xiàn)

引力透鏡效應(yīng)是指：由于時(shí)空在大質(zhì)量天體附近會發(fā)生畸變，因而光線經(jīng)過諸如黑洞的大質(zhì)量天體附近時(shí)會發(fā)生彎曲，如果從觀測者到光源的視線上存在一個(gè)大質(zhì)量天體，那么光源的兩側(cè)就會形成兩個(gè)像，就好像有一面透鏡放在觀測者和天體之間一樣。

在1919年5月發(fā)生的日全食現(xiàn)象期間，天文學(xué)家觀測到太陽邊緣處天體的位置發(fā)生了輕微的變化，這預(yù)示著太陽這個(gè)大質(zhì)量天體使光線發(fā)生了彎曲。 

1925年：引力紅移的首次測定 Walter Sydney Adams（美國天文學(xué)家）研究了光從大質(zhì)量恒星表面的射出，之后檢測到了愛因斯坦曾預(yù)言過的引力紅移。 

 1937年：銀河系引力透鏡的預(yù)測 瑞士天文學(xué)家Fritz Zwicky提出，整個(gè)銀河系都可作為引力透鏡。

  1959年：引力紅移的證實(shí) 哈佛大學(xué)的Robert Pound和 Glen Rebka最終證實(shí)了愛因斯坦預(yù)言的引力紅移理論。他們通過實(shí)驗(yàn)測量了哈佛大學(xué)的杰弗遜實(shí)驗(yàn)室（Jefferson Laboratory）的塔頂和塔底的相對紅移。此次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測量出了在輻射光子穿過塔頂和塔底時(shí)的能量細(xì)微變化，從而證實(shí)了引力紅移理論。 

Robert Pound和 Glen Rebka的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了引力紅移理論  

 1960年：利用受激發(fā)射原理發(fā)明激光器

1960年，美國加利福尼亞休斯研究實(shí)驗(yàn)室（Hughes Research Laboratories）的Theodore H. Maiman發(fā)明了第一臺激光器。 

 20世紀(jì)60年代：黑洞的首次證實(shí)

 20世紀(jì)60年代再次掀起了廣義相對論的熱潮，也正是在這個(gè)時(shí)期科研人員發(fā)現(xiàn)，位于星系中心位置的黑洞，其巨大的引力牽引著星系。科研人員也在此時(shí)證實(shí)，大質(zhì)量黑洞處在所有大星系的中心位置，而各恒星之間則徘徊著小質(zhì)量黑洞。 

1966年：引力時(shí)間延遲效應(yīng)的首次發(fā)現(xiàn)

美國天文學(xué)家Irwin Shapiro提出，若廣義相對論正確，那么由于太陽的引力作用，往返于太陽系的無線電波，其速度會有所減緩，這種現(xiàn)象即為引力時(shí)間延遲效應(yīng)。

1966年到1967年，Irwin Shapiro通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一效應(yīng)：他在地面上向金星和水星表面發(fā)射了雷達(dá)波束，并計(jì)算了雷達(dá)波束信號返回地球的時(shí)間。他發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)波束返回的時(shí)間會有所延誤，而所計(jì)算出的延誤時(shí)間與愛因斯坦廣義相對論中所預(yù)言的延誤時(shí)間一致。 

 1969年：引力波的錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)

1969年，美國物理學(xué)家Joseph Weber聲稱通過實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了引力波（愛因斯坦廣義相對論中預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動，即時(shí)空曲率的波動以行進(jìn)波的形式向外傳遞的一種方式），但隨后被證明是錯(cuò)誤的。

  1974年：引力波存在的間接證據(jù)

 美國物理學(xué)家Joseph Taylor和Russell Hulse發(fā)現(xiàn)了一種新型脈沖星（旋轉(zhuǎn)的中子星，因這種星體不斷發(fā)出電磁脈沖信號，所以被稱為脈沖星）——脈沖雙星（指兩顆中子星沿軌道相互旋繞的雙星系統(tǒng)）。根據(jù)廣義相對論，當(dāng)兩個(gè)致密星體近距離彼此繞旋時(shí)，會產(chǎn)生引力輻射，而輻射出的引力波帶走能量，所以系統(tǒng)總能量會越來越少。研究人員對脈沖雙星軌道衰變的測量顯示這兩顆脈沖星損失的能量值符合廣義相對論中預(yù)言的能量損失值，這是人類首次得到引力波存在的間接證據(jù)。

  1979年：銀河系引力透鏡的首次發(fā)現(xiàn)

1979年，銀河系引力透鏡首次被發(fā)現(xiàn)：美國Dennis Walsh、Bob Carswell和 Ray Weymann觀察到了兩個(gè)完全一樣的類星體（一種類似恒星、在極其遙遠(yuǎn)的距離外的高光度和強(qiáng)射電的天體），最終發(fā)現(xiàn)其實(shí)只是一個(gè)類星體呈現(xiàn)了兩個(gè)單獨(dú)的透鏡圖像而已。自20世紀(jì)80年代以來，引力透鏡就開始用來探測宇宙中的質(zhì)量分布規(guī)律。  1979年：美國激光干涉引力波天文臺（LIGO，即引力波探測器）的建造獲得資助美國國家科學(xué)基金會開始資助美國激光干涉儀引力波觀測站（LIGO）的建造。 

 1987年：引力波的第二次錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)

美國物理學(xué)家Joseph Weber再一次聲稱自己利用扭力桿實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)儀器是鋁棒探測器，在引力波經(jīng)過時(shí)，鋁棒探測器會發(fā)生共振）直接檢測到了來自超新星SN1987A 的引力波，但隨后被證明又是一次烏龍事件。 

 1994年：美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）開始建造美國激光干涉引力波天文臺的建造用時(shí)很久，最終分別在在路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德落成。

2002年8月，美國激光干涉引力波天文臺開始探測引力波。 

 2004年：參考系拖拽探測器

 2004年，美國國家宇航局（NASA）發(fā)射了引力探測器B，用來測量地球周圍的時(shí)空曲率（據(jù)廣義相對論，時(shí)空性質(zhì)由物體“質(zhì)量”分布決定，物體"質(zhì)量"分布狀況使時(shí)空性質(zhì)不均勻，引起時(shí)空發(fā)生彎曲）。引力探測器B內(nèi)含陀螺儀，陀螺儀會受潛在的時(shí)空影響而輕微旋轉(zhuǎn)，在靠近"拖拽"周圍時(shí)空的轉(zhuǎn)動物體時(shí)，陀螺儀的旋轉(zhuǎn)會更強(qiáng)烈。該探測器中陀螺儀的旋轉(zhuǎn)角度與愛因斯坦廣義相對論中的預(yù)測值一致。 

2005年-2014年：美國激光干涉引力波天文臺的兩次升級

 2005年，在經(jīng)過五次引力探索之后，美國激光干涉引力波天文臺第一階段的探索結(jié)束，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)引力波的跡象。之后，天文臺內(nèi)的傳感器被臨時(shí)改裝，以期提高靈敏性。改裝后的天文臺被稱為加強(qiáng)版激光干涉引力波天文臺。

2009年，改裝后的加強(qiáng)版激光干涉引力波天文臺開始了全新的引力波探測之旅，但直至2010年也未能探測到引力波，因此它又被近一步升級。

2014年，新的升級版激光干涉引力波天文臺安裝完成，準(zhǔn)備開始新的引力波探測之旅。

  2015年：引力波的第三次錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)

BICEP2（宇宙銀河系外極化背景成像，Background Imaging of Cosmological Extragalactic Polarization 2）的研究團(tuán)隊(duì)聲稱，他們曾間接發(fā)現(xiàn)引力波（宇宙開端大爆炸后產(chǎn)生的引力波），但最終被核實(shí)為誤報(bào)。  2015年：升級版激光干涉引力波天文臺開始探測

2015年，升級版激光干涉引力波天文臺開始對引力波再一次的全新探測之旅，它的靈敏性是原來的四倍。同年9月，升級版激光干涉引力波天文臺探測到了類似兩個(gè)黑洞碰撞后產(chǎn)生的引力波信號。 

2016年：引力波的發(fā)現(xiàn)被證實(shí)在經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗(yàn)后，2016年2月11日，升級版激光干涉引力波天文臺的研究團(tuán)隊(duì)終于宣布探測到了引力波的存在。

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