关于引力和引力波，人类几世纪的理解史

原文地址：关于引力和引力波，人类几世纪的理解史作者：恒星未来之路

引力的理解历程，你知道多少？

人类对引力的理解几经多变，比如牛顿引力说、爱因斯坦的广义相对论和最近引力波的问世。现在，让我们跟随时间的脚步，一起来回顾一下过去几个世纪以来人类对引力的理解吧！ 

1687年：牛顿引力说（Newtonian Gravity）

 1687年，艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton）发表了《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）一书，书中全面介绍了引力，令天文学家可预测行星的运动。

但书中对引力的介绍并非问题全无，例如对水星运动轨道的精确测量，该书所述就与实际情况不符。其他行星的引力拖拽会令水星的运动轨道不断进动（指自转物体受外力作用，其自转轴绕某一中心旋转），导致水星运动轨道中的近日点在每次旋转中都会发生轻微移动，这样的现象被称为水星进动。经过观测得到的水星进动的实际速率与根据牛顿引力理论计算出的速率有所偏差，虽然这一偏差很小，但足以令天文学家开始质疑牛顿引力说！ 

水星进动现象的形象解释   

 

 1859年：Vulcan行星 为解释水星奇怪的进动现象，法国天文学家Urbain Le Verrier提出，一颗名叫Vulcan的行星引力（Vulcan行星的运动轨道离太阳更近）在影响着水星的轨道，但天文学家此后并未观测到Vulcan行星的存在。 

1905年：狭义相对论

1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）提出的狭义相对论震惊了物理界，随后，他开始把引力因素并入他的研究方程，迎来了下一步的突破。 

1907年：爱因斯坦对引力红移的预测

爱因斯坦在完成广义相对论的研究期间，首次提出了引力红移效应（强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象，从远离引力场的地方观测时，处在引力场的辐射源发射出来的谱线，其波长会变长一些，频率会变低一些）。他预言道，强引力场中的原子为躲避引力作用，发射出来的光的波长就会变长，而变长了的波长会将光子转移至电磁谱的红色端。 

1915年：广义相对论

 1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，他根据广义相对论精确预测了水星的运动轨道，也计算出了一度神秘的水星近日点的进动速率。广义相对论还预言了黑洞和引力波的存在，尽管爱因斯坦自己也经常纠结于如何理解这些理论。 

 1917年：爱因斯坦提出受激辐射理论

1917年，爱因斯坦发表了有关辐射的量子理论文章，提出了受激辐射理论。爱因斯坦认为，受激原子通过释放光子形式的能量能自发地从高能级（激发态）跃迁回低能级（基态）状态，这样的过程就称之为受激辐射。受激辐射中，原子受到某种光子的激发，受激后的原子就会跃迁到低能级状态，同时释放出光子。释放出的光子与原先激发原子的光子性质相同，频率相同，传播方向也相同。受激辐射理论令人们展开了对激光（受激辐射过程中，在某种状态下，会出现一个弱光激发出一个强光的现象，即受激辐射中的光放大，简称为激光）的研究。 

1918年：参考系拖拽效应的预言

 1918年，Josef Lense和Hans Thirring通过广义相对论推导出了参考系拖拽效应的相应理论——处于转动状态的大质量物体会对其周围的时空产生拖拽现象 

 1919年：引力透镜效应的首次发现

引力透镜效应是指：由于时空在大质量天体附近会发生畸变，因而光线经过诸如黑洞的大质量天体附近时会发生弯曲，如果从观测者到光源的视线上存在一个大质量天体，那么光源的两侧就会形成两个像，就好像有一面透镜放在观测者和天体之间一样。

在1919年5月发生的日全食现象期间，天文学家观测到太阳边缘处天体的位置发生了轻微的变化，这预示着太阳这个大质量天体使光线发生了弯曲。 

1925年：引力红移的首次测定 Walter Sydney Adams（美国天文学家）研究了光从大质量恒星表面的射出，之后检测到了爱因斯坦曾预言过的引力红移。 

 1937年：银河系引力透镜的预测 瑞士天文学家Fritz Zwicky提出，整个银河系都可作为引力透镜。

  1959年：引力红移的证实 哈佛大学的Robert Pound和 Glen Rebka最终证实了爱因斯坦预言的引力红移理论。他们通过实验测量了哈佛大学的杰弗逊实验室（Jefferson Laboratory）的塔顶和塔底的相对红移。此次实验准确测量出了在辐射光子穿过塔顶和塔底时的能量细微变化，从而证实了引力红移理论。 

Robert Pound和 Glen Rebka的实验证实了引力红移理论  

 

 1960年：利用受激发射原理发明激光器

1960年，美国加利福尼亚休斯研究实验室（Hughes Research Laboratories）的Theodore H. Maiman发明了第一台激光器。 

 20世纪60年代：黑洞的首次证实

 20世纪60年代再次掀起了广义相对论的热潮，也正是在这个时期科研人员发现，位于星系中心位置的黑洞，其巨大的引力牵引着星系。科研人员也在此时证实，大质量黑洞处在所有大星系的中心位置，而各恒星之间则徘徊着小质量黑洞。 

1966年：引力时间延迟效应的首次发现

美国天文学家Irwin Shapiro提出，若广义相对论正确，那么由于太阳的引力作用，往返于太阳系的无线电波，其速度会有所减缓，这种现象即为引力时间延迟效应。

1966年到1967年，Irwin Shapiro通过实验证实了这一效应：他在地面上向金星和水星表面发射了雷达波束，并计算了雷达波束信号返回地球的时间。他发现，雷达波束返回的时间会有所延误，而所计算出的延误时间与爱因斯坦广义相对论中所预言的延误时间一致。 

 1969年：引力波的错误发现

1969年，美国物理学家Joseph Weber声称通过实验首次发现了引力波（爱因斯坦广义相对论中预言的一种以光速传播的时空波动，即时空曲率的波动以行进波的形式向外传递的一种方式），但随后被证明是错误的。

  1974年：引力波存在的间接证据

 美国物理学家Joseph Taylor和Russell Hulse发现了一种新型脉冲星（旋转的中子星，因这种星体不断发出电磁脉冲信号，所以被称为脉冲星）——脉冲双星（指两颗中子星沿轨道相互旋绕的双星系统）。根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时，会产生引力辐射，而辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少。研究人员对脉冲双星轨道衰变的测量显示这两颗脉冲星损失的能量值符合广义相对论中预言的能量损失值，这是人类首次得到引力波存在的间接证据。

  1979年：银河系引力透镜的首次发现

1979年，银河系引力透镜首次被发现：美国Dennis Walsh、Bob Carswell和 Ray Weymann观察到了两个完全一样的类星体（一种类似恒星、在极其遥远的距离外的高光度和强射电的天体），最终发现其实只是一个类星体呈现了两个单独的透镜图像而已。自20世纪80年代以来，引力透镜就开始用来探测宇宙中的质量分布规律。  1979年：美国激光干涉引力波天文台（LIGO，即引力波探测器）的建造获得资助美国国家科学基金会开始资助美国激光干涉仪引力波观测站（LIGO）的建造。 

 1987年：引力波的第二次错误发现

美国物理学家Joseph Weber再一次声称自己利用扭力杆实验（实验仪器是铝棒探测器，在引力波经过时，铝棒探测器会发生共振）直接检测到了来自超新星SN1987A 的引力波，但随后被证明又是一次乌龙事件。 

 1994年：美国激光干涉引力波天文台（LIGO）开始建造美国激光干涉引力波天文台的建造用时很久，最终分别在在路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德落成。

2002年8月，美国激光干涉引力波天文台开始探测引力波。 

 2004年：参考系拖拽探测器

 2004年，美国国家宇航局（NASA）发射了引力探测器B，用来测量地球周围的时空曲率（据广义相对论，时空性质由物体“质量”分布决定，物体"质量"分布状况使时空性质不均匀，引起时空发生弯曲）。引力探测器B内含陀螺仪，陀螺仪会受潜在的时空影响而轻微旋转，在靠近"拖拽"周围时空的转动物体时，陀螺仪的旋转会更强烈。该探测器中陀螺仪的旋转角度与爱因斯坦广义相对论中的预测值一致。 

2005年-2014年：美国激光干涉引力波天文台的两次升级

 2005年，在经过五次引力探索之后，美国激光干涉引力波天文台第一阶段的探索结束，结果并未发现引力波的迹象。之后，天文台内的传感器被临时改装，以期提高灵敏性。改装后的天文台被称为加强版激光干涉引力波天文台。

2009年，改装后的加强版激光干涉引力波天文台开始了全新的引力波探测之旅，但直至2010年也未能探测到引力波，因此它又被近一步升级。

2014年，新的升级版激光干涉引力波天文台安装完成，准备开始新的引力波探测之旅。

  2015年：引力波的第三次错误发现

BICEP2（宇宙银河系外极化背景成像，Background Imaging of Cosmological Extragalactic Polarization 2）的研究团队声称，他们曾间接发现引力波（宇宙开端大爆炸后产生的引力波），但最终被核实为误报。  2015年：升级版激光干涉引力波天文台开始探测

2015年，升级版激光干涉引力波天文台开始对引力波再一次的全新探测之旅，它的灵敏性是原来的四倍。同年9月，升级版激光干涉引力波天文台探测到了类似两个黑洞碰撞后产生的引力波信号。 

2016年：引力波的发现被证实在经过严格的检验后，2016年2月11日，升级版激光干涉引力波天文台的研究团队终于宣布探测到了引力波的存在。

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