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引力的历史,看完觉得爱因斯坦上辈子一定拯救过银河系

2016-02-19

未来论坛 2016-02-19 11:09

最近,关于引力波被发现的相关报道登上各大媒体头条,人们的微信朋友圈也被一代新网红引力波频频刷屏。

然而在谈论引力波之前,还是先让我们来搞清楚“引力”到底是什么吧。有人也许会说:“这还不简单?中学物理就学过了。” Too young too simple!事实上,从牛顿方程到爱因斯坦广义相对论,人类对引力的理解已经走过了几个阶段。

看完下面的内容,你一定也会和小编一样感叹爱因斯坦的人生就是大写的NB~那么就点击今日第二条微信内容,报名参加本年度第一期理解未来讲座吧,虽然成不了爱因斯坦,至少也可以给大脑充充电~

1687:牛顿的万有引力艾萨克·牛顿发表了《自然哲学的数学原理》,对引力进行了详尽的描述,为天文学家预言行星运动提供了精准的工具。然而其中也不乏诸如计算水星精确轨道这样的问题。

所有行星的轨道都会发生进动——即在其他行星的引力拖曳下,星体每绕太阳公转一周,其椭圆轨道的长轴也会略有转动。

水星:原谅我放荡不羁爱自由

水星进动的问题在于,其进动速率与牛顿理论所预言的不符。所差的数值虽然微小,对天文学家来说却已经大到不容忽视的地步了。

还好牛顿不是有强迫症的处女座,不然妥妥得被逼疯

1859: “火神星”

为了解释水星的特立独行,法国天文学家勒维耶提出了运行轨道离太阳更近的一颗看不见的行星——“火神星”(Vulcan)的存在。他认为火神星的引力影响了水星运行的轨道。但一次次观测过后,科学家们仍难觅火神星的踪迹。

1905: 狭义相对论

阿尔伯特·爱因斯坦凭借他的狭义相对论震撼了整个物理学界。自此开始,他将引力纳入方程式,迎来了他的下一项突破。

1907: 预言重力红移

重力红移是由爱因斯坦首先在完成广义相对论的过程中提出来的。

爱因斯坦预言,在强引力场中,原子发出的光波长会随着其逃离引力场而增长,整体频谱会向电磁波谱的红端发生偏移。

1915: 广义相对论

爱因斯坦发表了广义相对论。其第一项伟大之处在于它对水星轨道的准确预言,包括之前原因不明的诡异进动。

广义相对论还预言了黑洞和引力波的存在,尽管连爱因斯坦本人都经常表示对它们难以理解。

爱因斯坦:意识太超前,连我自己都理解不了

1917: 受激辐射理论化

爱因斯坦发表了论文《辐射的量子理论》,表明了受激辐射的可能性。 爱因斯坦提出,激发态原子能够通过释放以光子为形式的能量向低能级跃迁。这一过程称为自发辐射。 而在受激辐射中,外来的光子与激发态原子相互作用,使激发态原子跃迁至低能级上,释放与外来光子同相位、同频率及同运动方向的光子。这一过程为激光的发展奠定了基础。

1918: 预言惯性系拖曳

约瑟夫·兰斯与汉斯·蒂林通过广义相对论推导出,空间中大质量天体的运转会对其周围的时空产生“拖曳”效应。

1919: 首次观测引力透镜

引力透镜是指在大质量天体如黑洞周围,光会发生弯曲。通过这种方式就可以使我们看到其背后的天体。在1919年5月的一次日全食中,人们观测到近日处星体的位置出现了轻微的偏差。这表明太阳的质量使光发生了弯曲。

1925: 首次测量重力红移

美国天文学家亚当斯对大质量星体表明发出的光进行了量度,探测到了红移,证明了爱因斯坦的预言。

1937: 预言星系引力透镜

瑞士天文学家弗里茨·兹威基提出,整个星系亦可作为引力透镜来产生作用。

1959: 重力红移被证实

通过在哈佛大学杰佛逊实验室塔顶端和底端进行实验,庞德和雷布卡准确测量到了光子在两个辐射源之间运动过程中的能量改变,从而证实了重力红移效应。

1960: 受激辐射与激光

美国加州休斯研究实验室的物理学家梅曼第一个发明出了激光。

1960年代:黑洞初现端倪

60年代见证了广义相对论复兴的曙光,也因此发现了因为黑洞的巨大引力形成的星系。 至此证明在所有大型星系中都存在质量巨大的黑洞,且在星体之间分布着小型黑洞。

1966:观测引力时间延迟

美国天体物理学家夏皮罗提出,如果广义相对论是正确的,那么当无线电波在太阳系中运动时,会因为太阳引力而减缓速度。

引力时间延迟效应于1966-1967年间被夏皮罗通过实验证实。从地面向金星发射雷达波,再测量信号返回地球的时间。通过计算,夏皮罗发现,当地球、太阳和金星最大程度在同一条直线上时,雷达波往返的时间因太阳质量导致了延迟,证明了爱因斯坦的理论。

1969:对引力波的误报

美国物理学家韦伯首次对引力波探测进行了实验。然而他的实验结果却一直无法被复制。

韦伯:读者朋友们,咱们下文继续见啊~

1974:引力波的间接证据

美国物理学家泰勒和赫尔斯发现了一种新型脉冲星:脉冲双星。对脉冲双星轨道衰变的测量显示,它们减少的能量值符合广义相对论的预言。为此,泰勒和赫尔斯获得了1993年诺贝尔物理奖。

1979:观测星系引力透镜

第一个河外星系引力透镜由沃什、卡斯韦尔和威曼所发现。当时他们看到了两个一模一样的类星体,知道后来被证明那其实是一个类星体显现出的两个独立的影像。 从80年代起,引力透镜已经成为了探索宇宙间物质分布的一项有力工具。

1979:LIGO获得资金

美国国家科学基金对激光干涉引力波天文台(即LIGO)的建设进行资助。

1987:引力波的又一次误报

韦伯又一次误报探测到引力波。

1994:LIGO正式开始构建

终于,LIGO的构建在华盛顿的汉福德和路易斯安那的利文斯顿开始了。

LIGO:可算轮到我出场了

2002:LIGO开始首次搜索

2002年8月,LIGO开始搜寻引力波存在的证据。

2004:惯性系拖曳探测器

NASA发射了引力探测器来测量近地时空曲率。通过分析探测器上搭载的陀螺仪的数据,证实了爱因斯坦广义相对论中的惯性系拖曳效应。

2005:LIGO结束搜索

在5次搜索后,LIGO第一阶段寻找引力波的努力宣告失败。之后,LIGO的传感器经过改装,提高了灵敏度,被称作“加强版LIGO”。

2009:加强版LIGO

升级后的加强版LIGO开始新一轮对引力波的搜索。

2010:加强版LIGO结束搜索

加强版LIGO再次失败。经过全面升级,新一代升级版LIGO闪亮登场。

LIGO:心好累,感觉不会再爱了

2014:升级版LIGO更新完成

全新升级版LIGO安装测试完成,蓄势待发。

2015:引力波的第三次误报

BICEP2实验团队宣称找到了远古遗留下来的间接引力波信号,后来却被证明只是星系尘埃的恶作剧。

2015:LIGO再次升级

升级版LIGO再次升级,将灵敏度提升至初始LIGO的4倍后,再次开始新一轮对引力波的搜寻。9月,它探测到疑似两个黑洞并合产生的信号。

2016:引力波终被发现

经过重重严格考查,升级版LIGO团队宣布了引力波的发现。

爱因斯坦:颤抖吧,人类!

来源:The Conversation 作者:Geraint Lewis

编译:未来论坛 商白

文章转载请注明出处为 “未来论坛”微信账号(ID:futureforum)

ps:“理解未来”系列讲座2016年第1期将于2月27日在清华大学开讲解密 引力波——时空震颤的涟漪》,欢迎感兴趣的同学报名参加。让我们一起倾听“理解未来”,让我们沉浸在好奇心不断被激发和满足的过程中,让我们的智识版本实时更新。

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