引力的前世今生

從牛頓萬有引力公式到愛因斯坦的廣義相對論，人們對引力的認識經歷了一個曲折的過程。隨著今天引力波的發現，讓我們來回顧一下在這一個世紀里人們對引力發展的認識過程。

1687 年：牛頓引力

艾薩克·牛頓在出版的《自然哲學的數學方法》一書中對引力進行了全面描述。這為天文學家預測行星的運動提供了精確手段，但它並非沒有瑕疵，例如無法精確地計算水星的軌道。

所有行星的軌道運動，在公轉的近地點軌道上受到其他行星引力的拖行而產生微動。

水星的軌道問題在於其進動量與牛頓理論預測不一致，計算上這僅是一個很小的差異，但對於天文學家來說已經足夠大到能夠感知到它的存在了。

1895 年：火星行星

為解釋水星的古怪行為，奧本·勒維耶建議選擇一個看不見的行星——火星，其運行軌道接近太陽。他認為來自火星的引力會影響水星運動軌道。但是，通過反覆觀察，沒有發現火星影響的跡象。

1905 年：狹義相對論

愛因斯坦的狹義相對論震驚了整個物理學界。此後，他開始將引力引入到他的方程中，這引發了他的下一個突破。

1907 年：愛因斯坦預言引力紅移

受廣義相對論發展過程中的思想影響，愛因斯坦第一次提出了引力紅移理論。所謂引力紅移指的是在強磁場中原子激發出的光逃脫引力時，光的波長會變長。變長的波使光子移動到了電磁光譜的紅外端。

1915 年：廣義相對論

愛因斯坦發表了廣義相對論，首次取得的巨大成功是精確預測了水星的軌道，包括其以前難以理解的進動。該理論還預言了黑洞和引力波的存在，雖然愛因斯坦本人也很難理解它們。

1917 年：愛因斯坦的受激輻射理論

在1917 年，愛因斯坦在發表的關於輻射量子理論的論文中表明受激輻射是可能發生的。愛因斯坦提出激發原子可以通過光子的自發輻射過程釋放能量，從而返回到較低能量狀態。

在受激輻射中，入射光子與激發原子相互作用，使它移動到一個較低的能量狀態，釋放與入射光子方向、相位及頻率均相同的光子。這一過程對於激光的發展來說是可行的（光通過受激輻射發射放大）。

1918 年：參考系拖拽預測

約瑟夫倫澤和漢斯·蒂林認為一種處於轉動狀態的質量會對其周圍的時空產生拖拽的現象，這種現象也被稱作慣性系拖拽。

1919 年：首次發現引力透鏡

引力透鏡效應是光線經過大質量物體周圍時產生的彎曲，例如一個黑洞，允許人們看到處於它背後的物體。在1919 年5 月日全食時，科學家觀察到太陽附近的恆星輕微錯位，這表明光彎曲是由太陽的較大質量所引起的。

1925 年：首次引力紅移的測量

沃爾特·亞當斯觀察了大質量恆星表面發出的光，並檢測到紅移，驗證了愛因斯坦的預言。

1937 年：星系團引力透鏡預測

瑞士天文學家弗里茲·扎維奇提出，整個星系團可以看作一個引力透鏡。

1959 年：引力紅移的驗證

龐德(R.V.Pound)和雷布卡(G.Rebka)測量了哈佛大學傑弗遜物理實驗室的塔頂和塔底的兩個輻射源的相對紅移，確切地驗證了引力紅移的存在。通過這個試驗，他們精確測定了光從塔頂傳輸到塔底過程中能量的微小變化。

1960 年：受激輻射的激光發明

加利福尼亞州休斯研究實驗室的物理學家西奧多·梅曼，製造出了世界上第一台激光器。

20 世紀60 年代：黑洞的首個證據

20 世紀60 年代是廣義相對論復興的開始，此時才發現銀河系是一個中心存在黑洞的星系，該星系被黑洞的巨大引力所吸引。目前證實在所有大型星系中心都存在著質量較大的黑洞，當然也有一些質量較小的黑洞在星際間漫遊。

1966 年：首次觀察到引力時間延遲

美國天體物理學家歐文夏皮羅認為，如果廣義相對論成立的話，那麼無線電波會受太陽的引力作用而減緩，從而出現時間延遲，因為信號在太陽系周圍受到了反彈。

在1966 年到1967 年間，科研人員檢測到從金星表面反射的雷達波束，並且測量了信號返回地球的時間。測量的延時結果有力地證實了愛因斯坦理論。

目前，研究人員將時間延遲應用在宇宙領域，通過觀測在引力透鏡圖像間閃爍光的時間差來測量宇宙的膨脹。

1969 年：引力波的誤檢

美國物理學家約瑟夫·韋伯的性格頗具叛逆，他聲稱自己第一個通過實驗檢測到引力波的存在，但他的實驗結果永遠沒法重複。

1974 年：引力波的間接證據

約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯發現了一種新型脈衝星：一個二進位脈衝星。脈衝星軌道衰減的測量顯示它們失去的能量與廣義相對論預測的數據一致。這一發現使他們獲得了1993年諾貝爾物理學獎。

約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯發現了一種新型脈衝星：一個二進位脈衝星。脈衝星軌道衰減的測量顯示它們失去的能量與廣義相對論預測的數據一致。這一發現使他們獲得了1993年諾貝爾物理學獎。

1979 年：星系引力透鏡的首次觀測

觀察者丹尼斯·沃爾什、鮑勃·卡斯韋爾和雷威曼觀測到了兩個相同的准恆星天體(或「類星體」)，而它原來是兩個獨立圖像的一個類星體，這樣首個河外星系引力透鏡被發現了。

80年代以來，引力透鏡效應已成為宇宙中強大的探測器。

1979 年：激光干涉引力波天文台(LIGO)獲得資助

美國國家科學基金會資助建設激光干涉引力波天文台（LIGO）。

1987 年：虛驚一場的引力波誤報

誤報源自約瑟夫·韋伯的直接探測，他設計出一種天線來檢測引力波，這種天線是一根圓柱形鋁棒，如果有引力波垂直掃過來，就會激發鋁棒振動。這種振動雖然很微弱，但是它可以通過該棒中間附加的壓電應變轉換器變換為電信號而被檢測到。他聲稱接收到了來自超新星SN 1987A的信號，但此後證明是錯誤的。

誤報源自約瑟夫·韋伯的直接探測，他設計出一種天線來檢測引力波，這種天線是一根圓柱形鋁棒，如果有引力波垂直掃過來，就會激發鋁棒振動。這種振動雖然很微弱，但是它可以通過該棒中間附加的壓電應變轉換器變換為電信號而被檢測到。他聲稱接收到了來自超新星SN 1987A的信號，但此後證明是錯誤的。

1994 年：LIGO開始動工建設

經過漫長的過程，LIGO終於在漢福德、華盛頓和路易斯安那州開工建設。

2002 年：LIGO開始第一次搜索引力波。

2002年8月，LIGO開始搜索引力波的證據。

2004 年：參考系拖拽探測

美國國家航空航天局發射引力探測器B來測量地球周圍的時空曲率。探測器上裝有陀螺儀，通過對陀螺儀自旋方向的探測，可以測量時空在地球的存在下是如何發生彎曲的，並進一步地測量出地球的自轉是如何「拖拽」周圍的時空隨之一起運動的。

數據分析顯示引力探測器B上陀螺儀按一定速度進動，這正好符合愛因斯坦的廣義相對論。

2005 年：LIGO搜尋結束

經過5 年的搜索，LIGO 的第一階段以未探測到引力波結束。此後感測器經過臨時改裝以提高靈敏度，被稱之為增強LIGO。

2009 年：增強的LIGO

升級版的增強LIGO開始對引力波進行新的搜尋。

2010：增強LIGO搜尋結束

增強LIGO未能檢測到引力波。此後經過一個關鍵的升級，全新的高級LIGO開始。

2014 年：高級LIGO升級完成

全新的高級LIGO已完成安裝及測試，並且準備好開始新的搜索。

2015 年：＃3 引力波誤報

美國哈佛史密松天體物理中心宣稱他們在宇宙微波背景輻射中發現了B模式極化信號。他們指出，這可能是原初引力波留下的印跡，為宇宙早期的暴脹提供了首個直接的證據。然而，這一結果遇到了諸多質疑。此後他們在論文中承認，無法排除觀測到的信號源來自銀河系中塵埃干擾(而非原初引力波)的可能性。

2015 年：再次的LIGO升級

先進的LIGO開始引力波的又一輪搜索，其探測靈敏度是原始LIGO的4 倍。在9 月，檢測到看起來可能是由兩個黑洞相互碰撞發出的信號。

2016 年：引力波被探測證實

經過嚴格的檢查後，LIGO團隊終於宣布探測到了引力波。

原文發表於《科技導報》2016 年第3 期73—77 頁。感謝中國科普研究所科學媒介中心供稿。

科學媒介中心（Science Media Center）

本文選自《物理》2016年第5期