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退烧后再看引力波:从牛顿的万有引力说起


 

1687:牛顿的万有引力

 

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。

所有行星的轨道进动过程(当行星在他们的轨道近日点处的偏移)是由其他行星的引力拖拽引起的。

而实际上,由水星轨道的进动带来的岁差量无法同牛顿的理论预言相匹配。虽然这只是一个小的差异,但足够驱使严谨的天文学家们思考这个理论的局限性!

 

1859年:火神星球

 

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:狭义相对论

 

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:爱因斯坦预言引力红移

 

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。

 爱因斯坦预言,在强大的引力场作用下,原子辐射出的光子在逃脱引力场时波长会增加。长波偏移增量将光子推向电磁光谱的红端。

 

1915年:广义相对论

 

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,虽然爱因斯坦本人也很难轻易地理解它们。

1917年:爱因斯坦受激辐射理论

 

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(受激辐射)的发展进程。

 

1918年:预测参考系拖拽

 

约瑟夫·伦泽和汉斯理论指出,处于转动状态的物质会拖拽其周围的时空。

 

1919年:第一次观测引力透镜效应

 

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19195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:第一次测量引力红移

 

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:银河系引力透镜预测

 

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:引力红移验证

 

该理论由罗伯特格伦·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:基于受激辐射理论发明的激光器

 

 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 。


1960:黑洞存在的第一证据

 

20世纪60年代是广义相对论的复兴的开始,而且在这期间在星系中心具有巨大拉力的黑洞被发现。

现在这也是所有大型星系的中心中存在巨大的黑洞的证据,以及恒星之间较小的黑洞的证据。

 

1966年:首次观测到引力引起的时间延迟

 

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。

1966-1967年间,通过测在金星表面发射的雷达波束返回地球所用时间,人们发现了波速减小。该结果再一次证实了爱因斯坦的理论。

我们现在还可以在宇宙尺度上利用时间延迟效应,比如通过测量引力透镜图像中两个不同闪光点的时间差来测量宇宙的膨胀。

 

1969年:探测引力波?

 

美国物理学家约瑟夫·韦伯(略有不靠谱)声称做出了引力波的第一个实验性检测。可他的实验结果从来没有被重复验证过。

 

1974年:引力波间接证据

 

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:首次观测星系引力透镜

 

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。

 

1979年:LIGO获得资助

 

美国国家科学基金会资助了激光干涉引力波天文台(LIGO)的建设。

 

1987年:误报警引力波

 

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:LIGO开始施工

 

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。

20028月,LIGO开始搜索引力波的证据。

 

 

2004年:参考系拖拽探头

 

NASA发射引力探测器B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:LIGO升级

 

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,强化LIGO

 

2009年:强化LIGO

 

所谓的LIGO升级版,开始了对引力波新的追捕。

 

2010:升级!再升级!

 

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整装待发

 

高级LIGO已完成安装,准备好开始新的搜索。

 

2015年:误报引力波

 

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开始探测

 

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:引力波探测确认

 

经过千辛万苦而又严格的检查后,高级LIGO队宣布引力波的探测结果属实。


英文作者: Geraint Lewis

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来自:DWJ18222  > 牛顿
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