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(rèn)識經(jīng)歷了一個曲折的過程。借引力波爆刷科學(xué)家朋友圈之際，小編一并梳理了300年來人類對引力發(fā)展的認(rèn)識過程。

1687年：牛頓引力

艾薩克·牛頓出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)方法》一書中對引力進(jìn)行了全面描述。這為天文學(xué)家預(yù)測行星的運(yùn)動提供了精確手段，但它并非沒有瑕疵——無法精確地計(jì)算水星的軌道。所有行星的軌道運(yùn)動，在公轉(zhuǎn)的近日軌道上受到其他行星引力的拖行而產(chǎn)生微動，而水星的軌道問題在于其進(jìn)動量與牛頓理論預(yù)測不一致，計(jì)算上這僅是一個很小的差異，但對于天文學(xué)家來說已經(jīng)足夠大到能夠感知到它的存在了。

1895年：火星行星

為了解釋水星這一星體的古怪行為，法國天文學(xué)家奧本·勒維耶建議選擇一個看不見的行星——火星，其運(yùn)行軌道接近太陽。他認(rèn)為來自火星的引力會影響水星的運(yùn)行軌道。但是，通過反復(fù)觀察，沒有發(fā)現(xiàn)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(xué)界。此后，他開始將引力引入到他的方程中，這導(dǎo)致了他的下一個突破。

1907年：愛因斯坦預(yù)言引力紅移

受廣義相對論發(fā)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(qiáng)磁場中原子激發(fā)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(fā)表了廣義相對論，首次取得的巨大成功是精確預(yù)測了水星的軌道，包括其以前難以理解的進(jìn)動。該理論還預(yù)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

1917年，愛因斯坦在發(fā)表的關(guān)于輻射量子理論的論文中表明，受激輻射是可能發(fā)生的。他提出激發(fā)原子可以通過光子的自發(fā)輻射過程釋放能量，從而返回到較低能量狀態(tài)。

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

1918年：參考系拖拽預(yù)測

奧地利物理學(xué)家約瑟夫倫澤和漢斯·蒂林認(rèn)為，一種處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)的質(zhì)量會對其周圍的時空產(chǎn)生拖拽的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也被稱作慣性系拖拽。

1919年：首次發(fā)現(xiàn)引力透鏡

引力透鏡效應(yīng)是光線經(jīng)過大質(zhì)量物體周圍時產(chǎn)生的彎曲，例如一個黑洞，允許人們看到處于它背后的物體。在1919年5月日全食時，科學(xué)家觀察到太陽附近的恒星輕微錯位，這表明光彎曲是由太陽的較大質(zhì)量所引起的。

1925年：首次引力紅移的測量

美國天文學(xué)家沃爾特·亞當(dāng)斯觀察了大質(zhì)量恒星表面發(fā)出的光，并檢測到紅移，驗(yàn)證了愛因斯坦的預(yù)言。

1937年：星系團(tuán)引力透鏡預(yù)測

瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇提出，整個星系團(tuán)可以看作一個引力透鏡。

1959年：引力紅移的驗(yàn)證

美國的龐德和雷布卡測量了哈佛大學(xué)杰弗遜物理實(shí)驗(yàn)室的塔頂和塔底的兩個輻射源的相對紅移，確切地驗(yàn)證了引力紅移的存在。通過這個試驗(yàn)，他們精確測定了光從塔頂傳輸?shù)剿走^程中能量的微小變化。

1960年：受激輻射的激光發(fā)明

加利福尼亞州休斯研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家西奧多·梅曼，制造出了世界上第一臺激光器。

20世紀(jì)60年代：黑洞的首個證據(jù)

20世紀(jì)60年代是廣義相對論復(fù)興的開始，此時才發(fā)現(xiàn)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(shí)在所有大型星系中心都存在著質(zhì)量較大的黑洞，當(dāng)然也有一些質(zhì)量較小的黑洞在星際間漫游。

1966年：首次觀察到引力時間延遲

美國天體物理學(xué)家歐文·夏皮羅認(rèn)為，如果廣義相對論成立的話，那么無線電波會受太陽的引力作用而減緩，從而出現(xiàn)時間延遲，因?yàn)樾盘栐谔栂抵車艿搅朔磸棥?/p>

在1966—1967年，科研人員檢測到從金星表面反射的雷達(dá)波束，并且測量了信號返回地球的時間。測量的延時結(jié)果有力地證實(shí)了愛因斯坦理論。

目前，研究人員將時間延遲應(yīng)用在宇宙領(lǐng)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(xué)家約瑟夫·韋伯的性格頗為叛逆，他聲稱自己第一個通過實(shí)驗(yàn)檢測到引力波的存在，但他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果永遠(yuǎn)沒法重復(fù)。

1974年：引力波的間接證據(jù)

天體物理學(xué)家約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯發(fā)現(xiàn)了一種新型脈沖星：一個二進(jìn)制脈沖星。脈沖星軌道衰減的測量顯示它們失去的能量與廣義相對論預(yù)測的數(shù)據(jù)一致。這一發(fā)現(xiàn)使他們獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)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2個相同的準(zhǔn)恒星天體（或“類星體”），而它原來是2個獨(dú)立圖像的一個類星體，這樣首個河外星系引力透鏡被發(fā)現(xiàn)了。20世紀(jì)80年代以來，引力透鏡效應(yīng)已成為宇宙中強(qiáng)大的探測器。

1979年：激光干涉引力波天文臺（LIGO）獲得資助

美國國家科學(xué)基金會資助建設(shè)激光干涉引力波天文臺（LIGO）。

1987年：虛驚一場的引力波誤報

誤報源自美國馬里蘭大學(xué)約瑟夫·韋伯的直接探測，他設(shè)計(jì)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(fā)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(yīng)變轉(zhuǎn)換器變換為電信號而被檢測到。他聲稱通過天線接收到了來自超新星SN 1987A的信號，但此后證明是錯誤的。

1994年：LIGO開始動工建設(shè)

經(jīng)過漫長的過程，LIGO終于在漢福德、華盛頓和路易斯安那州開工建設(shè)。

2002年：LIGO開始第一次搜索引力波。

2002年8月，LIGO開始搜索引力波存在的證據(jù)。

2004年：參考系拖拽探測

美國國家航空航天局發(fā)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(fā)生彎曲的，并進(jìn)一步測量地球的自轉(zhuǎn)是如何“拖拽”周圍的時空隨之一起運(yùn)動的。

數(shù)據(jù)分析顯示，引力探測器B上的陀螺儀按一定速度進(jìn)動，這正好符合愛因斯坦的廣義相對論。

2005年：LIGO搜尋結(jié)束

經(jīng)過5年的搜索，LIGO的第一階段以未探測到引力波結(jié)束。此后傳感器經(jīng)過臨時改裝以提高靈敏度，被稱之為增強(qiáng)LIGO。

2009年：增強(qiáng)的LIGO

升級版的增強(qiáng)LIGO開始對引力波進(jìn)行新的搜尋。

2010：增強(qiáng)LIGO搜尋結(jié)束

增強(qiáng)LIGO未能檢測到引力波。此后經(jīng)過一個關(guān)鍵的升級，全新的高級LIGO準(zhǔn)備開始工作。

2014年：高級LIGO升級完成

全新的高級LIGO完成安裝及測試，并且準(zhǔn)備開始新的搜索。

2015年：第3次引力波誤報

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(fā)現(xiàn)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(jù)。然而，這一結(jié)果遭遇諸多質(zhì)疑。此后，他們在論文中承認(rèn)，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：LIGO再次升級

先進(jìn)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2015年9月，檢測到可能是由2個黑洞相互碰撞發(fā)出的信號。

2016年：引力波被探測證實(shí)

LIGO團(tuán)隊(duì)終于探測到了引力波的存在。