引力的歷史，看完覺得愛因斯坦上輩子一定拯救過銀河系

06-02

未來論壇 2016-02-19 11:09

最近，關於引力波被發現的相關報道登上各大媒體頭條，人們的微信朋友圈也被一代新網紅引力波頻頻刷屏。

然而在談論引力波之前，還是先讓我們來搞清楚「引力」到底是什麼吧。有人也許會說：「這還不簡單？中學物理就學過了。」 Too young too simple！事實上，從牛頓方程到愛因斯坦廣義相對論，人類對引力的理解已經走過了幾個階段。

看完下面的內容，你一定也會和小編一樣感嘆愛因斯坦的人生就是大寫的NB~那麼就點擊今日第二條微信內容，報名參加本年度第一期理解未來講座吧，雖然成不了愛因斯坦，至少也可以給大腦充充電~

1687：牛頓的萬有引力艾薩克·牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，對引力進行了詳盡的描述，為天文學家預言行星運動提供了精準的工具。然而其中也不乏諸如計算水星精確軌道這樣的問題。

所有行星的軌道都會發生進動——即在其他行星的引力拖曳下，星體每繞太陽公轉一周，其橢圓軌道的長軸也會略有轉動。

水星：原諒我放蕩不羈愛自由

水星進動的問題在於，其進動速率與牛頓理論所預言的不符。所差的數值雖然微小，對天文學家來說卻已經大到不容忽視的地步了。

還好牛頓不是有強迫症的處女座，不然妥妥得被逼瘋

1859：「火神星」

為了解釋水星的特立獨行，法國天文學家勒維耶提出了運行軌道離太陽更近的一顆看不見的行星——「火神星」（Vulcan）的存在。他認為火神星的引力影響了水星運行的軌道。但一次次觀測過後，科學家們仍難覓火神星的蹤跡。

1905：狹義相對論

阿爾伯特·愛因斯坦憑藉他的狹義相對論震撼了整個物理學界。自此開始，他將引力納入方程式，迎來了他的下一項突破。

1907：預言重力紅移

重力紅移是由愛因斯坦首先在完成廣義相對論的過程中提出來的。

愛因斯坦預言，在強引力場中，原子發出的光波長會隨著其逃離引力場而增長，整體頻譜會向電磁波譜的紅端發生偏移。

1915：廣義相對論

愛因斯坦發表了廣義相對論。其第一項偉大之處在於它對水星軌道的準確預言，包括之前原因不明的詭異進動。

廣義相對論還預言了黑洞和引力波的存在，儘管連愛因斯坦本人都經常表示對它們難以理解。

愛因斯坦：意識太超前，連我自己都理解不了

1917：受激輻射理論化

愛因斯坦發表了論文《輻射的量子理論》，表明了受激輻射的可能性。愛因斯坦提出，激發態原子能夠通過釋放以光子為形式的能量向低能級躍遷。這一過程稱為自發輻射。而在受激輻射中，外來的光子與激發態原子相互作用，使激發態原子躍遷至低能級上，釋放與外來光子同相位、同頻率及同運動方向的光子。這一過程為激光的發展奠定了基礎。

1918：預言慣性系拖曳

約瑟夫·蘭斯與漢斯·蒂林通過廣義相對論推導出，空間中大質量天體的運轉會對其周圍的時空產生「拖曳」效應。

1919：首次觀測引力透鏡

引力透鏡是指在大質量天體如黑洞周圍，光會發生彎曲。通過這種方式就可以使我們看到其背後的天體。在1919年5月的一次日全食中，人們觀測到近日處星體的位置出現了輕微的偏差。這表明太陽的質量使光發生了彎曲。

1925：首次測量重力紅移

美國天文學家亞當斯對大質量星體表明發出的光進行了量度，探測到了紅移，證明了愛因斯坦的預言。

1937：預言星系引力透鏡

瑞士天文學家弗里茨·茲威基提出，整個星系亦可作為引力透鏡來產生作用。

1959：重力紅移被證實

通過在哈佛大學傑佛遜實驗室塔頂端和底端進行實驗，龐德和雷布卡準確測量到了光子在兩個輻射源之間運動過程中的能量改變，從而證實了重力紅移效應。

1960：受激輻射與激光

美國加州休斯研究實驗室的物理學家梅曼第一個發明出了激光。

1960年代：黑洞初現端倪

60年代見證了廣義相對論復興的曙光，也因此發現了因為黑洞的巨大引力形成的星系。至此證明在所有大型星系中都存在質量巨大的黑洞，且在星體之間分布著小型黑洞。

1966：觀測引力時間延遲

美國天體物理學家夏皮羅提出，如果廣義相對論是正確的，那麼當無線電波在太陽系中運動時，會因為太陽引力而減緩速度。

引力時間延遲效應於1966-1967年間被夏皮羅通過實驗證實。從地面向金星發射雷達波，再測量信號返回地球的時間。通過計算，夏皮羅發現，當地球、太陽和金星最大程度在同一條直線上時，雷達波往返的時間因太陽質量導致了延遲，證明了愛因斯坦的理論。

1969：對引力波的誤報

美國物理學家韋伯首次對引力波探測進行了實驗。然而他的實驗結果卻一直無法被複制。

韋伯：讀者朋友們，咱們下文繼續見啊~

1974：引力波的間接證據

美國物理學家泰勒和赫爾斯發現了一種新型脈衝星：脈衝雙星。對脈衝雙星軌道衰變的測量顯示，它們減少的能量值符合廣義相對論的預言。為此，泰勒和赫爾斯獲得了1993年諾貝爾物理獎。

1979：觀測星系引力透鏡

第一個河外星系引力透鏡由沃什、卡斯韋爾和威曼所發現。當時他們看到了兩個一模一樣的類星體，知道後來被證明那其實是一個類星體顯現出的兩個獨立的影像。從80年代起，引力透鏡已經成為了探索宇宙間物質分布的一項有力工具。

1979：LIGO獲得資金

美國國家科學基金對激光干涉引力波天文台（即LIGO）的建設進行資助。

1987：引力波的又一次誤報

韋伯又一次誤報探測到引力波。

1994：LIGO正式開始構建

終於，LIGO的構建在華盛頓的漢福德和路易斯安那的利文斯頓開始了。

LIGO：可算輪到我出場了

2002：LIGO開始首次搜索

2002年8月，LIGO開始搜尋引力波存在的證據。

2004：慣性系拖曳探測器

NASA發射了引力探測器來測量近地時空曲率。通過分析探測器上搭載的陀螺儀的數據，證實了愛因斯坦廣義相對論中的慣性系拖曳效應。

2005：LIGO結束搜索

在5次搜索後，LIGO第一階段尋找引力波的努力宣告失敗。之後，LIGO的感測器經過改裝，提高了靈敏度，被稱作「加強版LIGO」。

2009：加強版LIGO

升級後的加強版LIGO開始新一輪對引力波的搜索。

2010：加強版LIGO結束搜索

加強版LIGO再次失敗。經過全面升級，新一代升級版LIGO閃亮登場。

LIGO：心好累，感覺不會再愛了

2014：升級版LIGO更新完成

全新升級版LIGO安裝測試完成，蓄勢待發。

2015：引力波的第三次誤報

BICEP2實驗團隊宣稱找到了遠古遺留下來的間接引力波信號，後來卻被證明只是星系塵埃的惡作劇。

2015：LIGO再次升級

升級版LIGO再次升級，將靈敏度提升至初始LIGO的4倍後，再次開始新一輪對引力波的搜尋。9月，它探測到疑似兩個黑洞併合產生的信號。

2016：引力波終被發現

經過重重嚴格考查，升級版LIGO團隊宣布了引力波的發現。

愛因斯坦：顫抖吧，人類！

來源：The Conversation 作者：Geraint Lewis

編譯：未來論壇商白

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