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，讓我們跟隨時間的腳步，一起來回顧一下過去幾個世紀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《自然哲學的數(shù)學原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）一書，書中全面介紹了引力，令天文學家可預測行星的運動。

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

水星進動現(xiàn)象的形象解釋   

 1859年：Vulcan行星 為解釋水星奇怪的進動現(xiàn)象，法國天文學家Urbain Le Verrier提出，一顆名叫Vulcan的行星引力（Vulcan行星的運動軌道離太陽更近）在影響著水星的軌道，但天文學家此后并未觀測到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（強引力場中天體發(fā)射的電磁波波長變長的現(xiàn)象，從遠離引力場的地方觀測時，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）。他預言道，強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)廣義相對論精確預測了水星的運動軌道，也計算出了一度神秘的水星近日點的進動速率。廣義相對論還預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)表了有關輻射的量子理論文章，提出了受激輻射理論。愛因斯坦認為，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)一個弱光激發(fā)出一個強光的現(xiàn)象，即受激輻射中的光放大，簡稱為激光）的研究。 

1918年：參考系拖拽效應的預言

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

 1919年：引力透鏡效應的首次發(fā)現(xiàn)

引力透鏡效應是指：由于時空在大質(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)量天體附近時會發(fā)生彎曲，如果從觀測者到光源的視線上存在一個大質(zhì)量天體，那么光源的兩側(cè)就會形成兩個像，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，這預示著太陽這個大質(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言過的引力紅移。 

 1937年：銀河系引力透鏡的預測 瑞士天文學家Fritz Zwicky提出，整個銀河系都可作為引力透鏡。

  1959年：引力紅移的證實 哈佛大學的Robert Pound和 Glen Rebka最終證實了愛因斯坦預言的引力紅移理論。他們通過實驗測量了哈佛大學的杰弗遜實驗室（Jefferson Laboratory）的塔頂和塔底的相對紅移。此次實驗準確測量出了在輻射光子穿過塔頂和塔底時的能量細微變化，從而證實了引力紅移理論。 

Robert Pound和 Glen Rebka的實驗證實了引力紅移理論  

 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驗室（Hughes Research Laboratories）的Theodore H. Maiman發(fā)明了第一臺激光器。 

 20世紀60年代：黑洞的首次證實

 20世紀60年代再次掀起了廣義相對論的熱潮，也正是在這個時期科研人員發(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?？蒲腥藛T也在此時證實，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：引力時間延遲效應的首次發(fā)現(xiàn)

美國天文學家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)象即為引力時間延遲效應。

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

 1969年：引力波的錯誤發(fā)現(xiàn)

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

  1974年：引力波存在的間接證據(jù)

 美國物理學家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，當兩個致密星體近距離彼此繞旋時，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觀察到了兩個完全一樣的類星體（一種類似恒星、在極其遙遠的距離外的高光度和強射電的天體），最終發(fā)現(xiàn)其實只是一個類星體呈現(xiàn)了兩個單獨的透鏡圖像而已。自20世紀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：引力波的第二次錯誤發(fā)現(xiàn)

美國物理學家Joseph Weber再一次聲稱自己利用扭力桿實驗（實驗儀器是鋁棒探測器，在引力波經(jīng)過時，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空曲率（據(jù)廣義相對論，時空性質(zhì)由物體“質(zhì)量”分布決定，物體"質(zhì)量"分布狀況使時空性質(zhì)不均勻，引起時空發(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空影響而輕微旋轉(zhuǎn)，在靠近"拖拽"周圍時空的轉(zhuǎn)動物體時，陀螺儀的旋轉(zhuǎn)會更強烈。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)的傳感器被臨時改裝，以期提高靈敏性。改裝后的天文臺被稱為加強版激光干涉引力波天文臺。

2009年，改裝后的加強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，準備開始新的引力波探測之旅。

  2015年：引力波的第三次錯誤發(fā)現(xiàn)

BICEP2（宇宙銀河系外極化背景成像，Background Imaging of Cosmological Extragalactic Polarization 2）的研究團隊聲稱，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），但最終被核實為誤報。  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)被證實在經(jīng)過嚴格的檢驗后，2016年2月11日，升級版激光干涉引力波天文臺的研究團隊終于宣布探測到了引力波的存在。

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