廣義相對論經歷的6大考驗

愛因斯坦曾自豪地說，如果沒有他，狹義相對論也會很快被別人想到，但廣義相對論就不一樣了。離開了他，恐怕不會那麼容易地建立起來。

時至今天，你要是想鑽研廣義相對論，極可能依然會被其深奧的數學所嚇倒，但其思想精髓幾乎盡人皆知——引力可以解釋為時空的彎曲。

引力不是已經被牛頓解釋得好好的，愛因斯坦幹嘛要標新立異呢？不用說，當然是如果不這樣做，很多現象用舊理論就解釋不了的緣故。

在過去的100年里，廣義相對論不僅已解釋了許多舊理論無法解釋的現象，還做了許多新的預言，這些預言已經被後人一一證實。所以時至今天，廣義相對論依然是我們對引力現象的最好解釋。下面，我們不妨來看一看廣義相對論經受住時間考驗的6個例子。

水星近日點進動異常

19世紀中期海王星的發現一直被視為牛頓的引力理論所取得的最偉大的成就。1846年，法國數學家勒威耶在研究天王星軌道數據時，意識到它的一些異常行為可能是由另一顆未知的大質量天體引起的。他根據牛頓的引力定律，計算出未知天體的大致的位置。僅僅過了幾個月，一位德國天文學家就在該位置上觀察到了一顆新的行星，即海王星。

然而在太陽系內，另一顆早已熟知的行星，反倒成了牛頓理論的「肉中刺」。這顆行星就是離太陽最近的水星。

1859年勒威耶發現，水星每一次抵達它離太陽最近的位置（即水星的近日點），都比牛頓理論的預言晚了半秒鐘。這就是所謂的「水星近日點進動異常」。這個進動異常雖然並沒有多少，每一周期僅偏離牛頓理論預言值的億分之一，然而隨著水星一圈一圈地運動（水星的公轉周期是88天），這個效果是在不斷累積的，所以水星的近日點偏離牛頓理論預言的位置會愈來愈遠。

起初，就像天王星的情況一樣，大家猜測，一定有一顆新的行星潛伏在水星附近，從而影響了它的軌道運動。人們還把這顆未知天體命名為「火神星」。但經過連續數十年的搜索，人們也依然沒有發現它的影子。

1915年，愛因斯坦利用廣義相對論準確計算出了水星近日點進動的異常值，並把它歸因於太陽的巨大質量所引起的時空彎曲。

頗具諷刺意味的是，後來人們還發現，天王星的軌道也存在近日點進動異常，這個異常最後也是藉助廣義相對論才得以圓滿解決的。迄今，與水星近日點進動類似的所有現象都跟廣義相對論的預言符合得很好，其中還包括太陽系外的雙中子星系統，儘管這類天體在1930年代之前甚至還沒有人能夠想像得到。

光的傳播方向被天體偏轉

愛因斯坦雖然成功地解釋了水星近日點進動異常問題，但這項成果並沒有引起特別大的反響。真正把他推向超級明星的地位，是幾年之後的另一項成就。

在廣義相對論創立之初，愛因斯坦就做了一個大膽的預言：像太陽這樣的大質量天體，會引起其周圍的時空彎曲，足可改變從它附近穿過的光的傳播路徑。

這個預言引起英國天文學家愛丁頓的極大興趣。他意識到，1919年3月29日，當太陽經歷一場日全食時，是驗證廣義相對論的一次絕佳機會。屆時，太陽正穿過以一個叫「畢星團」的明亮星系團為背景的天區，而來自太陽自身的絕大部分光芒都被月球遮擋了。如果愛因斯坦是對的，太陽的存在將會把來自畢星團的光線偏轉，使畢星團在天空中觀察到的位置跟實際位置稍有偏離。

愛丁頓隨即派遣了兩支考察隊，一支奔赴巴西，另一支奔赴非洲西海岸，去觀察當日全食發生時畢星團星光的偏轉。確實，後來兩支考察隊不辱使命，都觀察到了星光的微小偏移，偏移量則跟廣義相對論的預言完全一致。

這個重大發現很快成為世界各地媒體的頭條。當年11月出版的英國《泰晤士報》宣稱：「在科學領域發生了一場革命，確立了一種新的宇宙理論，牛頓的思想被推翻了。」愛因斯坦作為一名物理學家，從此變得家喻戶曉。

此後，這一現象還在天文學上找到奇妙的應用。當來自遙遠星系的光穿過一個大質量星系團附近時，光線被彎曲，在後方匯聚，這個星系團實質上起到透鏡的作用，所以就成了一個「引力透鏡」。我們知道，透鏡可以讓遠方物體所成的像更加清晰，所以「引力透鏡」能讓天文學家看得更遠。如今，「引力透鏡」已經成了天文學家探索宇宙的重要工具。

光的引力紅移

與前兩個例子一樣，這第三個例子也經受了多次的檢驗——這些檢驗被愛因斯坦認為對於驗證廣義相對論的正確性是至關重要的——而且是唯一愛因斯坦生前沒看到被證實的預言。

廣義相對論預言，當光從一個大質量物體發出之後，由引力導致的彎曲時空會把光的波長拉長。對於光而言，波長越長，在光譜中就越靠近紅色的一端，所以，該效應相當於讓光往紅端移動，即所謂的「紅移」。引力紅移的另一個等價的說法是：在引力場越強的地方，時間流逝得越慢。

數十年來，廣義相對論所預言的引力「紅移」實在太小了，很難被探測到。但在1959年，美國哈佛大學的兩位物理學家想到了一個辦法。他們在一座建築物地下室放置了一個放射性樣品，讓伽馬射線（一種波長極短的電磁波）從地下室射到屋頂，在屋頂再放置一個探測器。儘管從地下室到屋頂間距不過22米，但由於地球引力造成的時空彎曲，伽馬射線的波長可被拉長萬億分之幾。實驗結果完全符合廣義相對論的預言。

為了更精確地驗證這一效應，美國宇航局在1976年又發射了搭載有一個原子鐘的引力探測器A。在9960千米的高度，引力探測器A上的原子鐘比地面的原子鐘每秒大約快了百萬分之70（因為高空的地球引力小）。這一結果跟廣義相對論的預言完全吻合，精確度是前所未有的。2010年，美國國家標準技術研究所的科學家甚至走得更遠。他們證明，在電梯上僅僅高1英尺（約0.3米），原子鐘每秒大約就快了千萬億分之400。換句話說，你的頭部比足部差不多也要衰老得快這麼多。

引力紅移效應已經影響到了全球定位系統。為了消除在地面和高空時間流逝快慢不一樣的問題，科學家不得不對全球定位系統上的時間不斷進行校準。沒有校準，全球定位系統就不能工作。

光的相對論延遲效應

這一效應通常被認為是廣義相對論所經歷的第4個檢驗，是由哈佛大學的物理學家埃文·夏皮羅想出來的。這個實驗測量光從A物體到B物體以及從B物體返回所需要的時間。如果愛因斯坦是對的，當在AB路徑附近有一個大質量物體時，光來回傳播所需要的時間會長一些。這是因為當AB路徑附近沒有大質量物體時，光走的是一條直線；當存在大質量物體時，由於時空彎曲，光實際上走了一條彎路，所以耗時就長了。

在1960年代早期，夏皮羅建議，當水星運動到離太陽比較近時，通過從水星反射回來的雷達波信號來驗證這一效應。根據他的計算，與水星離太陽較遠時比較，在扣除兩種情況下地球與水星的距離變化之後，太陽的引力應該能夠使反射回地球的雷達波信號延遲兩百萬分之一秒。

檢驗是從1966年開始的，科學家藉助位於麻省理工學院的一架直徑36米寬的射電波天線，探測到從水星反射回來的雷達波非常接近夏皮羅計算的結果。

為了進一步驗證這一效應，後來的實驗放棄了行星，因為行星粗糙不平的表面會把一部分雷達波信號散射掉，而改為反射效果更好的物體——太空飛行器。1979年，科學家利用「維京號」火星登陸車驗證了這一效應。2003年，義大利研究人員在與當時正飛往土星途中的「卡西尼號」飛行器通訊時，也探測到一個時間延遲，精度達到百萬分之20，甚至比用「維京號」所取得的結果還好50多倍，而且與廣義相對論的預言驚人得符合。

對等效原理的檢驗

廣義相對論是建立在等效原理基礎上的，所以通過驗證等效原理，也可以對廣義相對論進行檢驗。

等效原理說，任何物體不論什麼樣的質量和構成，在引力場中都以相同的加速度下落。基於這一思想，廣義地說，自然規律應該在任何地方、任何時候都一樣。

支持等效原理第一個證據來自4個世紀前。1589年，著名的義大利天文學家伽利略從舉世聞名的比薩斜塔上扔下兩個球，這兩個球儘管是用不同材料做的，但在空氣阻力忽略不計的情況下，卻同時落地。

一轉眼到了1971年，科學家在月球上做了一個更具說服力的實驗。在「阿波羅15號」計劃中，宇航員同時扔下一個鐵鎚和一根羽毛。人們發現，在沒有空氣的月球環境中，兩個物體在同一時間著地，從而印證了伽利略的實驗。

阿波羅計劃的宇航員還在月面上留下了一些反射鏡。這些奇特的鏡子讓地球上的科學家可以通過從月球上反射的激光，精確測量月球相對地球的位置，精度可達0.06毫米。

由於地球和月球同處於太陽的引力場中，科學家利用這些反射鏡裝置證明，月球朝向太陽運動的加速度跟地球朝向太陽的加速度是一樣的（我們可以把圓周運動看成是在切線方向的勻速運動和在徑向方向的自由落體運動的合運動），再次印證了等效原理的正確性。

時空拖曳效應

廣義相對論還預言了處於轉動狀態的大質量物體會拖曳其周圍的時空，這種現象被稱作「時空拖曳效應」。

要想理解這一點，你不妨把時空想像成一鍋蜂蜜，當一個物體在其中轉動時，會拖曳周圍的蜂蜜，讓它們的位置發生改變。

大約在1960年，物理學家想像出一個實驗來驗證這個預言。第一步：在一顆環繞地球的人造衛星上放置一個陀螺儀。第二步：把陀螺儀的自轉軸對準選定的一顆遙遠恆星。第三步：經過一段時間後，查看陀螺儀的自轉軸朝向有沒有偏離原先所指向的恆星，若有偏離，偏離的程度多大。

這一設想直到44年後才在技術上成為可能。2004年4月，美國宇航局發射了「引力探測器B」，上面搭載了一個精度極高的陀螺儀（為保證陀螺儀的精確度，組成陀螺儀的石英球被打磨得非常接近於理想的球體）。經過了2年多的數據收集之後，測量結果再次支持了廣義相對論的這一預言。

俗話說，「真金不怕火煉」。從上述6個例子中，我們看到廣義相對論一次次經受了檢驗。不過儘管這些檢驗給人印象深刻，但都有一個缺陷，即都是在引力較弱的地方，像太陽或地球的引力場中開展的。在引力極強的地方，比如說在黑洞附近，會如何？廣義相對論會不會失靈呢？我們卻不得而知。所以對廣義相對論的檢驗還將不斷地深入下去。

（本文源自大科技*科學之謎2015年第12期文章）

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