當愛因斯坦向普魯士科學院發(fā)表了廣義相對論的最終形式，他并沒有立即獲得巨大的榮耀。當時并沒有多少人能夠理解廣義相對論的抽象數(shù)學概念，也沒有足夠的實驗及觀測證據(jù)證明廣義相對論的正確性。經(jīng)過了一個世紀，愛因斯坦的相對論通過了所有最精密地實驗驗證。 廣義相對論仍然是解釋引力最好的理論，在各個尺度上都被驗證。廣義相對論使全球定位系統(tǒng)GPS能夠正常運作，它可以解釋恒星軌道的異常，預言了巨恒星在生命的最后坍縮形成黑洞。 下面是六個廣義相對論的六個標志性驗證。 水星軌道近日點的進動 牛頓的萬有引力定律在18世紀中期達到了頂峰，通過牛頓的引力定律天文學家預言了海王星的存在。1846年，法國天文學家奧本.勒維耶在分析天王星軌道的數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)了攝動，就好像有其它的行星在影響著它的運動。就在幾個月之后，德國天文學家發(fā)現(xiàn)了海王星就在牛頓引力預言所在的軌道上。諷刺的是，在預言行星軌道獲得巨大成功后，牛頓引力最終栽在另一顆行星的軌道，而這也為愛因斯坦的思想開啟了一扇窗。 1859年，勒維耶發(fā)現(xiàn)，當水星運行到離太陽最近的地方，也就是近日點，它的實際軌道和牛頓力學所預測的有所偏差。這也就是所謂的水星近日點進動，進動的偏差并不多，每世紀相差43弧秒。 起初，天文學家假設在更靠近太陽的地方有另一個行星的存在，影響著水星的軌道。這個假設的行星被稱為祝融星。但是，經(jīng)過幾十年對火神星的搜索天文學家一無所獲。直到1915年，愛因斯坦的引力新理論完美的解決了水星軌道異常，這一切的罪魁禍首不過是太陽導致的時空畸變而造成的。 廣義相對論同樣精確地預言了地球、水星等其他行星的近日點進動。到了1930年代，由大質(zhì)量恒星塌縮形成的致密雙中子星系統(tǒng)，互相公轉(zhuǎn)的脈沖雙星的近拱點位移也以被測量，并完美符合廣義相對論的預測。 星光在太陽附近偏折 愛因斯坦的廣義相對論對水星近日點進動難題的解釋并未給他帶來太多的名聲。事情多轉(zhuǎn)變發(fā)生幾年后，廣義相對論的其它一項預言被驗證：當遙遠的星光經(jīng)過太陽的引力場時，被太陽彎曲了的時空會使光線在太陽附近發(fā)生偏折。 愛因斯坦的新引力理論吸引了當時在劍橋大學天文系的愛丁頓爵士。愛丁頓抓住了一個驗證光線偏折的絕佳機會：發(fā)生在1919年5月29日的全日食。當全日食發(fā)生時，太陽耀眼的光芒就會被遮擋住，為我們觀測太陽背景恒星制造了機會。如果愛因斯坦的理論正確，那么恒星會發(fā)生偏折，也就是說遙遠恒星的位置與視位置會有偏差。 愛丁頓組成了一對遠征隊，一隊前往巴西塞阿蠟，一對前往非洲西岸的圣多美和普林西比，分別在日全食發(fā)生的時候?qū)μ柛浇谋尘昂阈切沁M行觀測。觀測的結(jié)果跟愛因斯坦的預測完全符合。 愛丁頓的實驗使愛因斯坦成為了世界各地報紙的頭版頭條。頓時，報刊的標題充斥了諸如：“科學的革命” “宇宙的新理論” “牛頓時代結(jié)束”等。愛因斯坦，一位偉大的物理學家，成為了家喻戶曉的名字。 由于時空在大質(zhì)量天體附近發(fā)生了扭曲，使光線在天體附近發(fā)生彎曲，這個現(xiàn)象被稱之為'引力透鏡'，是探測宇宙的一個重要'工具'。比如一個巨大的星團可以放大遙遠的原初星系，提供了一個窺探早期宇宙的重要途徑。 光線的引力紅移 前面提到的水星近日點進動和光線偏折，加上接下來要提的引力紅移是愛因斯坦在1916年提出了三個檢驗廣義相對論的實驗。不幸地是，他無法見證引力紅移被實驗驗證。 愛因斯坦在1907年從等效原理推導出光的引力紅移效應。當一束光在逃逸一個大質(zhì)量物體的時候，引力造成的時空彎曲使光線被拉長，換句話說光的波長變長了。光的波長和它的能量與顏色相關(guān)，能量較低的波長在光譜中偏紅色，而波長較短能量較高的偏藍色。廣義相對論預言的光線在引力場下會紅移的效應直到1958年穆斯堡效應的發(fā)現(xiàn)。哈佛的物理學家龐德和他的學生雷布卡才想到了一個主意。 他們在哈佛大學杰弗遜塔的頂部放置了一個放射性鐵，并在塔的底部放置一個探測器。雖然塔的高度只有74英尺，但是卻足夠探測到輻射的伽瑪射線因地球引力場造成的極小能量損失，這個實驗在百分十的精度內(nèi)次驗證了愛因斯坦的理論預言。 為了更加明確的觀測到相對論效應，NASA于1976年發(fā)射了“引力探測器A”。探測器攜帶了一個原子鐘，研究人員的目的是為了探測光波的頻率變化。這次，是在6200英里的高空，科學家證實在探測器上的原子鐘比地球表面鐘走的快了一百億分之4.5，實驗測量的結(jié)果跟廣義相對論的預言只相差在百萬分之70。 2010年，美國國家標準技術(shù)局的科學家利用高精密原子鐘在實驗上更推進一步，在一個一英尺高的升降梯里，時鐘以400千萬億分之一快的速度流逝。通俗的說，在我們頭上流逝的時間比較低快。 在日常生活中，廣義相對論在GPS的應用中扮演著重要的角色，如果沒有廣義相對論的修正，GPS將無法正常運作。 引力時間延遲——夏皮羅效應 通常被列為檢驗廣義相對論的第四個經(jīng)典驗證。歐文.夏皮羅提出了另一種可以在太陽系內(nèi)對廣義相對論進行驗證的實驗。該實驗室通過記錄光線從A點到B點再返回所需要的時間。如果愛因斯坦正確，光線在一個大質(zhì)量天體附近傳播，記錄的時間會比較長。 1960年代，夏皮羅提出，當水星經(jīng)過太陽附近的時候，可以通過反射水星的雷達信號記錄來回時間對這個實驗進行驗證。夏皮羅計算，太陽的引力會使雷達的信號傳播的時間比沒有太陽存在時延遲200微妙。 實驗從1966年開始，利用在MIT120英尺寬的“草堆”雷達天線接收水星反射回來的雷達信號，實驗跟夏皮羅計算符合的很好，誤差小于5%。 為了更進一步的驗證夏皮羅效應，物理學家放棄了利用行星來驗證，因為行星粗糙的行星表面會散射掉一些雷達信號，所以科學家尋找一些光滑的目標，比如太空飛船。在1979年，登錄火星的海盜船探測器提供了驗證夏皮羅效應的機會，將精度提高到誤差0.1%。在2003年，意大利科學家利用飛往土星的卡西尼飛船再次將實驗精度提高到誤差只有0.002%。這些實驗一次又一次以更高的精確度驗證了廣義相對論。 等效原理 廣義相對論的核心是等效原理，在《從牛頓、麥克斯韋到愛因斯坦》一文詳細的解釋過這一原理。簡單的說就是，所有的物體在一個引力場中都以同樣的速度自由下落，與其質(zhì)量或內(nèi)在結(jié)構(gòu)無關(guān)。普遍地說，在宇宙中無論何時何地，實驗結(jié)果都是一樣的。 基于該想法之上，給定在一個參考系中的物理定律，無論參考系在局域空間里的引力強度有多不同，這個原理都應該成立。換句話說，你在運行中的飛機上拋的硬幣和在地面上拋一樣。一般說來，實驗的結(jié)果最終應該一致，這個結(jié)果不應受時間和地點影響。因此，貫穿漫漫時間長河的大自然的規(guī)則，應在宇宙每一個地方都一樣，這種一致性可以追溯回大爆炸那一刻。 我們先說簡單的：證據(jù)證明等效遠離的第一部分提出于400多年前。1589年，意大利天文學家伽俐略從比薩斜塔頂端釋放兩個質(zhì)量不同的小球。兩個小球的材質(zhì)雖然不同，會受到一定的空氣阻力，但是卻幾乎同一時間著地了。400多年后的1971年，人類把這個小實驗被搬到了月球上去做！在阿波羅15任務中，宇航員大衛(wèi)斯科特在沒有大氣的月球上同時釋放了一把錘子和一片羽毛，這兩個物體一同降落，也一同砸向了月球表面。兩個不同的物體以相同的速率自由下落。 阿波羅的宇航員還在月球上留下了反射鏡，在這些小家伙們的幫助下，科學家們得以成功運用激光反射來測試月球相對于地球的準確位置。這些數(shù)據(jù)為“等效降落”概念提供了大量測試，同時也應證了自然規(guī)律在任何地方都是相同的。到現(xiàn)在，幾十年的月球激光反射實驗數(shù)據(jù)已將廣義相對論驗證精確到一百兆億分之一。 這個設置也驗證了月球向太陽的加速度與地球的相同，這一結(jié)果就和伽俐略在披薩頂樓所放下的小球、斯科特在月球上放落的不同物體一樣?？偠灾?，根據(jù)等效原理，我們可以認為我們在向太陽同時投放地球和月球。 參考系拖曳效應 愛因斯坦的時空概念其實可以把時空想象成彈簧床。你可以想象把地球當作是一個保齡球，把保齡球放置在彈簧床上。保齡球的質(zhì)量使彈簧床凹陷，一個在附近的行星或球會在地球的引力場下沿著凹陷轉(zhuǎn)動。但是，橡膠墊子的比喻只是廣義相對論圖像的一部分。如果理論正確，一個自轉(zhuǎn)的大質(zhì)量天體應該會攪動周圍的時空，這就好比把一個自轉(zhuǎn)的地球放進蜂蜜罐的情形。 1960年，物理學家希望通過一個直接的實驗對這個預言進行驗證。步驟一，放置一個陀螺儀在一個繞行地球的人造衛(wèi)星上。步驟二：把陀螺儀和一個指針對準一個遠處的參考恒星。步驟三：觀察陀螺儀上指針的改變，這些改變是由地球?qū)χ車鷷r空的拖曳造成的。但是，聽起來簡單的一個實驗卻在44年后才實現(xiàn)，花費了7.5億美元的引力探測器B于2004年發(fā)射。實驗的結(jié)果在2011年宣布，盡管這是一次漫長的等待以及高精度要求使數(shù)據(jù)分析成為挑戰(zhàn)，但是最終愛因斯坦再次正確，陀螺儀指傾斜了極其微小的角度。在牛頓力學中，這個指針會永遠指向同一個方向。 在這一百年里，廣義相對論通過了所有的實驗，但是對它的檢驗還未結(jié)束?？茖W家還未沒有在強引力的環(huán)境下對它進行檢驗，比如黑洞的附近。在這樣極端的環(huán)境下，廣義相對論是再次驗證它強大的預言能力，還是會像牛頓力學在水星上失效，我想我們不應該放棄對它的檢驗。 今天是廣義相對論發(fā)表的100周年，就在100年前的今天，愛因斯坦像普魯士科學院發(fā)表了自己的論文，從此開啟了探索宇宙的新篇章。 最后，附上小編參加的一個廣義相對論100周年的慶祝的照片。原計劃是霍金會出席演講，但由于霍金身體因此無法出席。 |
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