退燒後再看引力波：從牛頓的萬有引力說起

1687年：牛頓的萬有引力

艾薩克·牛頓的《自然哲學的數學原理》中的開創性工作，不但給人們帶來了一種對萬有引力的整體性認識，更為天文學家提供了準確預測行星運動的工具。但它並非完全沒有問題，比如在計算水星的精確軌道時，這個理論稍顯不足。

所有行星的軌道進動過程（當行星在他們的軌道近日點處的偏移）是由其他行星的引力拖拽引起的。

而實際上，由水星軌道的進動帶來的歲差量無法同牛頓的理論預言相匹配。雖然這只是一個小的差異，但足夠驅使嚴謹的天文學家們思考這個理論的局限性！

1859年：火神星球

為了解釋水星的古怪行為，奧本·勒維耶猜想還存在一個看不見的行星-火神，其運行軌道接近太陽。他的觀點是：正是火神的引力在影響水星軌道運動。但是經過天文學家的反覆觀察後，並未發現火神行星存在的跡象。

1905年：狹義相對論

愛因斯坦的狹義相對論震驚了物理學界。然後，他開始將萬有引力納入到他的方程里，這也導致了他的下一個突破。

1907年：愛因斯坦預言引力紅移

我們現在所謂的引力紅移是愛因斯坦第一次從他廣義相對論思想中提出的。

 愛因斯坦預言，在強大的引力場作用下，原子輻射出的光子在逃脫引力場時波長會增加。長波偏移增量將光子推向電磁光譜的紅端。

1915年：廣義相對論

在愛因斯坦發表廣義相對論後，最偉大的成就是對水星運行軌道的精確預測，包括以前令人百思不得其解的進動現象。 

除此之外，廣義相對論還預測了黑洞和引力波的存在，雖然愛因斯坦本人也很難輕易地理解它們。

1917年：愛因斯坦受激輻射理論

1917年，愛因斯坦發表受激輻射的量子理論論文。 

愛因斯坦提出，激發態原子可以通過光子自發輻射來釋放能量，從而返回到較低能量狀態。

在受激輻射中，入射的光子與激發態原子相互作用，使它回到一個較低的能量狀態，同時釋放同入射光子具有相同頻率和方向的光子。這一理論大大促進了激光（受激輻射）的發展進程。

1918年：預測參考系拖拽

約瑟夫·倫澤和漢斯理論指出，處於轉動狀態的物質會拖拽其周圍的時空。

1919年：第一次觀測引力透鏡效應

引力透鏡效應是時空在大質量天體附近會發生畸變,使得光線經過大質量天體附近時發生彎曲，比如一個黑洞。在1919年5月日全食，人們觀察到太陽附近的天體位置出現了輕微偏移。這表明太陽巨大質量其附近造成了的空間扭曲，從而使光路發生偏移。 

1925年：第一次測量引力紅移

沃爾特·亞當斯檢測了大質量恆星的表面發出的光並發現紅移，證實了愛因斯坦預言。

1937年：銀河系引力透鏡預測

瑞士天文學家弗里茨茲維基提出：整個星系可以看作為一個引力透鏡。

1959年：引力紅移驗證

該理論由羅伯特和格倫·瑞貝卡通過測量哈佛大學的傑弗遜實驗室塔的頂部和底部兩個發射源的相對紅移證實。實驗精確地測量在光子能量頂部和底部之間的微小變化。

1960年：基於受激輻射理論發明的激光器

 加利福尼亞州休斯研究實驗室的物理學家希爾多·梅曼製造出第一台激光器 。

1960：黑洞存在的第一證據

20世紀60年代是廣義相對論的復興的開始，而且在這期間在星系中心具有巨大拉力的黑洞被發現。

現在這也是所有大型星系的中心中存在巨大的黑洞的證據，以及恆星之間較小的黑洞的證據。

1966年：首次觀測到引力引起的時間延遲

美國天體物理學家歐文夏皮羅認為，如果廣義相對論是對的，那麼當無線電波在太陽系來回反射傳播時，會由於太陽的引力作用而減慢。

1966-1967年間，通過測在金星表面發射的雷達波束返回地球所用時間，人們發現了波速減小。該結果再一次證實了愛因斯坦的理論。

我們現在還可以在宇宙尺度上利用時間延遲效應，比如通過測量引力透鏡圖像中兩個不同閃光點的時間差來測量宇宙的膨脹。

1969年：探測引力波？

美國物理學家約瑟夫·韋伯（略有不靠譜）聲稱做出了引力波的第一個實驗性檢測。可他的實驗結果從來沒有被重複驗證過。

1974年：引力波間接證據

約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯發現了一種新型脈衝星：一個脈衝雙星。脈衝星的軌道衰減的測量結果顯示，他們失去的能量能夠匹配廣義相對論預測的量級。這一發現使他們獲得了1993年諾貝爾物理學獎。

1979年：首次觀測星系引力透鏡

當觀察者丹尼斯·沃爾什，鮑勃·卡斯韋爾和雷威曼看到了兩個相同的准恆星天體或「類星體」，人們第一次發現河外星系引力透鏡。它後來被發現是同一個類星體產生了兩個獨立的像。

80年代以來，引力透鏡效應已成為大眾探索宇宙的強大武器。

1979年：LIGO獲得資助

美國國家科學基金會資助了激光干涉引力波天文台（LIGO）的建設。

1987年：誤報警引力波

從約瑟夫·韋伯再次使用他的扭桿實驗聲稱測到了超新星SN 1987A引力波，整個設計大體思路是：當一個大的引力波通過振動大鋁棒時可以直接檢測到信號。當然一切只是虛驚一場。

1994年：LIGO開始施工

花了很長的時間，LIGO的建設終於在漢福德，華盛頓，利文斯頓，路易斯安那州開始。

2002年8月，LIGO開始搜索引力波的證據。

2004年：參考系拖拽探頭

NASA發射引力探測器B去測量地球附近的時空曲率。探頭包含隨著時間推移而微旋的陀螺儀。時空產生彎曲，陀螺儀的效應就會升級。

在引力探測器B的陀螺儀的旋轉量與愛因斯坦廣義相對論的理論一致。

2005年：LIGO升級

經過五年的搜索，LIGO的第一階段工作結束，然而並沒有探測到引力波。之後感測器被改裝以提高靈敏度，叫強化LIGO。

2009年：強化LIGO

所謂的LIGO升級版，開始了對引力波新的追捕。

2010：升級！再升級！

強化LIGO未能檢測和引力波。又全新升級，堪稱高級LIGO開始探測引力波。

2014年：高級LIGO整裝待發

高級LIGO已完成安裝，準備好開始新的搜索。

2015年：誤報引力波

通過觀察宇宙微波背景，BICEP2實驗宣稱得到引力波在早期宇宙中存在的間接證據。但實際上，這是銀河系灰塵開的一個玩笑。

2015年：高級LIGO開始探測

高級LIGO測試引力波是原始LIGO靈敏度的四倍。在9月，檢測出可能是由兩個黑洞相互碰撞的信號。

2016年：引力波探測確認

經過千辛萬苦而又嚴格的檢查後，高級LIGO團隊宣布引力波的探測結果屬實。

英文作者： Geraint Lewis