从牛顿方程到爱因斯坦的广义相对论,人们对万有引力认识经历了很多曲折。随着引力波的发现,引力引起了公众的广泛关注,借此机会让我们一起回顾数百年来人类对万有引力的认识之路。
1687年,艾萨克·牛顿的《自然哲学的数学原理》中的开创性工作,不但给人们带来了一种对万有引力的整体性认识,更为天文学家提供了准确预测行星运动的工具。但它并非完全没有问题,比如在计算水星的精确轨道时,这个理论稍显不足。
1859年,为了解释水星的古怪行为,奥本·勒维耶猜想还存在一个看不见的行星——火神,其运行轨道接近太阳。他的观点是:正是火神的引力在影响水星轨道运动。但是经过天文学家的反复观察后,并未发现火神行星存在的迹象。
1905年,爱因斯坦的狭义相对论震惊了物理学界。然后,他开始将万有引力纳入到他的方程里,这也导致了他的下一个突破。1907年,我们现在所谓的引力红移是爱因斯坦第一次从他广义相对论思想中提出的。
1915年,在爱因斯坦发表广义相对论后,最伟大的成就是对水星运行轨道的精确预测,包括以前令人百思不得其解的进动现象。除此之外,广义相对论还预测了黑洞和引力波的存在。
1917年,爱因斯坦发表受激辐射的量子理论论文。爱因斯坦提出,激发态原子可以通过光子自发辐射来释放能量,从而返回到较低能量状态。在受激辐射中,入射的光子与激发态原子相互作用,使它回到一个较低的能量状态,同时释放同入射光子具有相同频率和方向的光子。这一理论大大促进了激光的发展进程。
1919年,引力透镜效应是时空在大质量天体附近会发生畸变,使得光线经过大质量天体附近时发生弯曲,比如一个黑洞。在1919年5月日全食,人们观察到太阳附近的天体位置出现了轻微偏移。这表明太阳巨大质量其附近造成了的空间扭曲,从而使光路发生偏移。
1925年,沃尔特·亚当斯检测了大质量恒星的表面发出的光并发现红移,证实了爱因斯坦预言。1937年,瑞士天文学家弗里茨兹维基提出:整个星系可以看作为一个引力透镜。
1959年,该理论由罗伯特和格伦·瑞贝卡通过测量哈佛大学的杰弗逊实验室塔的顶部和底部两个发射源的相对红移证实。实验精确地测量在光子能量顶部和底部之间的微小变化。
1960年,加利福尼亚州休斯研究实验室的物理学家希尔多·梅曼制造出第一台激光器。1966年,美国天体物理学家欧文夏皮罗认为,如果广义相对论是对的,那么当无线电波在太阳系来回反射传播时,会由于太阳的引力作用而减慢。
1974年,约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯发现了一种新型脉冲星:一个脉冲双星。脉冲星的轨道衰减的测量结果显示,他们失去的能量能够匹配广义相对论预测的量级。这一发现使他们获得了1993年诺贝尔物理学奖。
1979年,当观察者丹尼斯·沃尔什,鲍勃·卡斯韦尔和雷威曼看到了两个相同的准恒星天体或“类星体”,人们第一次发现河外星系引力透镜。它后来被发现是同一个类星体产生了两个独立的像。80年代以来,引力透镜效应已成为大众探索宇宙的强大武器。
1987年,从约瑟夫·韦伯再次使用他的扭杆实验声称测到了超新星SN 1987A引力波,整个设计大体思路是:当一个大的引力波通过振动大铝棒时可以直接检测到信号。当然一切只是虚惊一场。
1994年,花了很长的时间,LIGO的建设终于在汉福德,华盛顿,利文斯顿,路易斯安那州开始。2002年8月,LIGO开始搜索引力波的证据。
2004年,NASA发射引力探测器B去测量地球附近的时空曲率。探头包含随着时间推移而微旋的陀螺仪。时空产生弯曲,陀螺仪的效应就会升级。在引力探测器B的陀螺仪的旋转量与爱因斯坦广义相对论的理论一致。
2005年,经过五年的搜索,LIGO的第一阶段工作结束,然而并没有探测到引力波。之后传感器被改装以提高灵敏度,叫强化LIGO。
2009年,所谓的LIGO升级版,开始了对引力波新的追捕。2010年,强化LIGO未能检测和引力波。又全新升级,堪称高级LIGO开始探测引力波。
2014年,高级LIGO已完成安装,准备好开始新的搜索。2015年,通过观察宇宙微波背景,BICEP2实验宣称得到引力波在早期宇宙中存在的间接证据。但实际上,这是银河系灰尘开的一个玩笑。
2015年,高级LIGO测试引力波是原始LIGO灵敏度的四倍。在9月,检测出可能是由两个黑洞相互碰撞的信号。2016年,经过千辛万苦而又严格的检查后,高级LIGO团队宣布引力波的探测结果属实。