引力和引力波的“时间简史”（上）

人们对引力的认识经历了不同科学时代的变迁，从牛顿的力学方程式到爱因斯坦的广义相对论反映了科学史上两种主要引力理论的研究成果。科学家在前不久发现了引力波的信号，人们对引力的认识达到了历史的新高度。随着人们期待的“引力波天文学”和“引力波物理学”的兴起，对引力波的探测和研究进入了新的高潮时期。

1687年的牛顿引力。伊萨克·牛顿出版了科学名著《自然哲学的数学原理》，“原理”一书列出了包罗万象的引力哲学理论，他以严密的理论体系宣告了引力物理学历史的开端即“历史的终结”。天文学家获得了准确预测行星轨迹的工具指南，但牛顿力学体系不是装有万能钥匙的“工具箱”，在计算某些行星运动的轨迹时，出现了不大不小的难题，比如：牛顿方程在计算水星的精确轨迹时显得不那么灵验。

所有行星轨迹的进动现象源于其它行星的引力拖动，每一次公转到最靠近恒星的位置时，行星都会出现轻微的移动。比如：水星的“近日点”在每一次的公转中都发生了微小的位置摆动，水星的进动现象不符合从牛顿引力理论作出的预测，只有很小的差异，但差异已经足够大，天文学家已经观测到进动现象的发生。

1859年“迷失的火神星”。为了解释水星轨道近日点的奇异偏移，于尔班·勒·维里尔提出了看不见的一颗行星存在的假说，他称之为伏尔甘（火神星），假想的火神星在更靠近太阳的轨道转动，维里尔认为火神星的引力影响了水星轨道，但天文学家打消了维里尔“无中生有”的念头，经过了多次重复的天文观测，没有发现任何假想的“火神星”。

1905年的狭义相对论。爱因斯坦的狭义相对论不是第一次提出，却是最有力的一次行动，物理学的经典教义受到重创，牛顿物理学没有“烟消云散”，而是在爱因斯坦的相对论物理学中获得新生，相对论理论对引力和力学方程有更好的描述。爱因斯坦将引力纳入到广义相对论方程式，从而导致了引力主要理论的突破。

1907年预测了引力红移现象。人们现在时常提及的引力红移概念最早由爱因斯坦提出，当思考广义相对论的应用时，他萌发了引力红移的想法。爱因斯坦预测，当从原子发出的光波靠近一个强引力场时，波长变短，相反，当光波逃出引力场的约束时，波长变长。在电磁波图谱中，红移意味着光子向电磁波谱的红端移动，光子的波长变得更长。

1915年的广义相对论。爱因斯坦发表了广义相对论，第一个可检验的巨大成功是科学家准确地预测了水星轨道，从而解释了以前不能解释的进动现象。广义相对论预测了黑洞的存在，爱因斯坦本人极力否定“魔鬼天体”——黑洞的存在。爱因斯坦打开了“潘多拉魔盒”，弄不明白的天体可以通过天文观测得到证实。

1917年建立了受激辐射理论。1917年，爱因斯坦发表了一篇有关辐射的量子理论论文，最早建立了受激辐射理论，一个受激发的原子返回到更低的能量态，同时释放光子态能量，这被称之为自发辐射。在受激辐射过程中，一个入射的光子和一个受激发的原子发生相互作用，这个原子移到一个更低的能量态，释放的光子有相同的相位，它们和入射的光子有同样的频率和运动方向，这个过程激发了科学家开发激光的灵感，laser的含义是指通过受激辐射，提升发射光的放大效应。

1918年预测了惯性系的拖拽效应。约瑟夫·伦泽和汉斯·蒂林创立了一个理论，一个在空间旋转的大质量物体“拖拽”了在它周围的时空组织。

1919年第一次观测到引力透镜现象。引力透镜是指在大质量天体周围形成了光弯曲现象，这是一种聚光效应。比如：天文学家通过引力透镜看见了黑洞背后的天体视像。1919年5月，在一次全日食事件中，一颗靠近太阳的恒星被观测到轻微地“跳出”所在的位置，这一现象表明，在太阳质量的引力作用下，被观测的恒星光线发生了弯折。

1925年第一次测量了引力红移。沃尔特·西德尼·亚当斯检测了从一颗大质量恒星表面发射的光线，探测到的红移现象符合爱因斯坦的预测。

1937年预测了星系的引力透镜现象。瑞士天文学家弗里茨·茨维基设想了一个创意，可以将整个星系看成是一个超级引力透镜。

1959年证实了引力红移现象。罗伯特·庞德和格伦·雷博卡共同对引力红移现象进行了检测，他们在哈佛大学杰佛逊实验室的高塔上测量了塔顶和塔底的相对红移量差值，精确测量了光子在塔顶和塔底之间穿行时能量发生的微小变化。

1960年以受激辐射理论为基础发明了激光。物理学家西奥多·H·梅曼在加州的休斯研究型实验室制造出世界上第一台激光器。

1960年代找到了黑洞存在的第一个证据。上个世纪60年代是广义相对论复兴的开始，天文学家在星系中心发现了大质量黑洞，“大力神”黑洞以巨大的拖动力驱动了整个星系的运转，找到了星系演变的“原力觉醒”。从几乎所有的大星系中心发现了大质量黑洞存在的证据。更小质量的黑洞在恒星间的空旷地带四处徘徊，它们好像在宇宙大地漂移的“幽灵”。

（编译：2016-2-22）