引力之旅

  伽利略的实验  

苹果从树上掉落，地球绕着太阳运转，我们知道这是引力在发挥作用。现代科学对引力的探索，可以追溯到伽利略。16世纪末，伽利略证明了有着不同质量和构成的物体在引力作用下会经历相同的加速度。虽然相传为了验证这一点，他从比萨斜塔上同时扔下大小不同的物体，但实际上他是在实验室中让不同的球体滚下斜面来做这个实验的。

  万有引力定律  

1687年，牛顿提出了著名的万有引力定律，统一了对地球和太阳系中的大质量物体的运动的描述。在牛顿的框架中，引力是一种长程吸引力，作用于任何两个大质量物体之间。物体间的吸引力与它们的质量（m和M）、彼此分隔的距离（r），以及引力常量（G）有关。

  卡文迪什实验  

在牛顿提出引力定律的一百多年后，卡文迪什在实验室中使用扭秤，首次在实验中测量了两个质量之间的引力。他用这个结果计算了地球的密度，得到了一个与当前测量值仅相差几个百分点的结果。19世纪，物理学家使用卡文迪什的实验结果，对引力常量G的值进行了估算。

  广义相对论  

1915年，爱因斯坦提出了全新的引力理论——广义相对论。这个颠覆性的理论表明引力并非像牛顿所认为的那样是一种作用于物体之间的力，而是时空弯曲的结果。

在广义相对论中，时空并非“平坦”的，而是会因为大质量物体的存在而弯曲，当这些物体在时空中运动时，它们会不断地改变时空的曲率。如此一来，引力就描述了物质与时空之间的动态相互作用。广义相对论不仅完美地解释了牛顿理论无法解释的水星近日点进动问题，还作出了一系列可检验的预言。

  光线弯曲  

1919年，天文学家爱丁顿和他的合作者利用日食测量了遥远星光在经过太阳附近时发生的偏折效应。爱丁顿测量到的恒星偏移的幅度与广义相对论所预测的一致，这个轰动性的结果不仅证实了广义相对论，也使爱因斯坦的名字家喻户晓。

  引力红移  

广义相对论的另一个预言是，即使是光的能量也会随着引力而变化。这种效应被称为引力红移，最早是由庞德和雷布卡通过实验证实的。他们在同一栋建筑的地下室和屋顶之间，测量了两个铁样品发射和吸收的光能的极其微小的变化。

  时空涟漪的间接证据  

在广义相对论的预言中，大质量物体不仅会使时空弯曲，而且如果适当加速，还能在时空结构中产生微小的波动。这种波动就是引力波，也被称为时空涟漪，以光速在宇宙中传播。

1974年，美国物理学家赫尔斯和泰勒发现了由两颗中子星组成的互相旋绕的双星系统。其中一颗是脉冲星，利用它精确的周期性脉冲信号，他们计算出了该双星系统绕其质心公转时它们的轨道半长轴以及周期。由于引力波会带走能量，所以轨道半径和周期也会变短，理论和观测精确的符合了，从而间接地证实了引力波的存在。

  时空拖曳  

1918年，兰斯和蒂林基于广义相对论，提出所有旋转的大质量物体应该都会“拖曳”周围的时空，这一效应也被称为参考系拖曳，或兰斯-蒂林效应。2004年，引力探测器B发射，旨在探测由整个地球自转引力引起的兰斯-蒂林效应。实验结果与广义相对论的预测一致。

  时空涟漪的直接证据  

广义相对论的其中一个令人惊奇的预言是：宇宙中存在着连光进入都无法逃逸的黑洞。而当两个黑洞相互环绕并最终并合在一起时，也会释放出引力波。2015年9月14日，发生在13亿年前的双黑洞并合辐射出的引力波，终于抵达地球，并被激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到。这是人类首次直接捕捉到引力波，不仅证实了爱因斯坦的理论，也为我们探索黑洞打开了全新的窗口。

  看见看不见  

尽管许多观测都已经表明黑洞是真实存在的，但我们从未看见过它的视觉证据。2017年，事件视界望远镜（EHT）合作项目组用干涉测量法连接了遍布全球的射电天文台，创建了一个地球大小的虚拟望远镜，并瞄准了两个目标：一个是位于M87星系中心的超大质量黑洞，另一个是位于银河系中心的人马座A*。这两张黑洞照分别于2019年和2022年公布，观测结果再次证明了广义相对论是对的。

  迷雾重重  

尽管我们对引力都非常熟悉，但对物理学家而言它仍是一团迷雾。例如，物理学家想要知道为什么与自然界中的其他三种基本力（强力、弱力和电磁力）相比，引力如此微弱？为什么它只吸引而不排斥？而当物理学家想要真正理解黑洞或大爆炸时，更是需要将它与量子理论结合。因此，今天物理学家仍在孜孜不倦地探索着引力的本质。

#创作团队：

撰文：不二北斗

设计：雯雯

#参考来源：

https://sci.esa.int/web/lisa-pathfinder/-/56909-100-years-of-general-relativity

#图片来源：

封面图&首图：新原理研究所