廣義相對論的七大預(yù)言

1、廣義相對論的七大預(yù)言導(dǎo)讀都說引力波是相對論預(yù)言中的最后一塊拼圖。那么愛因斯坦還有哪些預(yù)言呢？本期我們就來梳理一下這方面的內(nèi)容。需要說明的是，廣義相對論的核心是解釋了時空彎曲，因此所有的預(yù)言都與此有關(guān)，但為了更說明問題，我們把有些類似的現(xiàn)象拆分成幾個。其中有些是愛因斯坦親口說的，有些是相對論的推論。1905 年，愛因斯坦橫空出世！還是瑞士伯爾尼專利局小職員的他在這一年里連續(xù)發(fā)表了六篇論文，開啟了現(xiàn)代物理學(xué)的新篇章，創(chuàng)造了神乎其神的“奇跡年” 。然而這只是個開頭。愛因斯坦并不滿足于解決了慣性系的問題，他志存高遠(yuǎn)，要把相對性原理拓展到更普適的非慣性系中，徹底顛覆人們的“宇宙觀”。 1907 年，愛因

2、斯坦的長篇文章關(guān)于相對性原理和由此得出的結(jié)論， 第一次拋出了 “等效原理”，廣義相對論的畫卷徐徐展開。然而，這項工作十分艱巨，直到 1915 年 11 月。愛因斯坦先后向普魯士科學(xué)院提交了四篇論文，提出了天書一般的引力場方程，至此，困擾多年的問題基本都解決了，廣義相對論誕生了。1916 年，愛因斯坦完成了長篇論文廣義相對論的基礎(chǔ)，文中，愛因斯坦正式將此前適用于慣性系的相對論稱為狹義相對論，將“在一切慣性系中（靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動狀態(tài)）物理規(guī)律同樣成立”的原理稱為狹義相對性原理，繼而闡述了“通吃”的廣義相對性原理：物理規(guī)律在無論哪種運(yùn)動方式的參照系都成立（包括靜止、勻速直線運(yùn)動、加速運(yùn)動、圓周

3、運(yùn)動等慣性系和非慣性系）。愛因斯坦的廣義相對論認(rèn)為，只要有非零質(zhì)量的物質(zhì)存在，空間和時間就會發(fā)生彎曲，形成一個向外無限延伸的“場”，物體包括光就在這彎曲的時空中沿短程線運(yùn)動，其效果表現(xiàn)為引力。所以人們把相對論描述的彎曲的時空稱為引力場，其實在廣義相對論看來， “引力”這個東西是不存在的，它只是一種效果力，與所謂離心力類似。如果說狹義相對論顛覆了牛頓的絕對時空觀，那么廣義相對論幾乎把萬有引力給一腳踹下去了。倒不是說愛因斯坦否定了牛頓，而是完成了經(jīng)典物理的一次華麗麗的升級，只是如此徹底以至于經(jīng)典物理變得面目全非了。廣義相對論提出后毫無懸念地遇到了推廣的困難，因為對于我們這種生活在低速運(yùn)動和弱引力場

4、的地球人來說，它太難懂了，太離奇了。但是逐漸地，人們在宇宙這個廣袤的實驗室中尋找到了答案，發(fā)現(xiàn)了相對論實在是太神奇、太精彩、太偉大了。1 光線偏折幾乎所有人在中學(xué)里都學(xué)過光是直線傳播，但愛因斯坦告訴你這是不對的。光只不過是沿著時空傳播，然而只要有質(zhì)量， 就會有時空彎曲，光線就不是直的而是彎的。質(zhì)量越大，彎 曲越大，光線的偏轉(zhuǎn)角度越大。太陽附近存在時空彎曲，背 景恒星的光傳遞到地球的途中如果途徑太陽附近就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。愛因斯坦預(yù)測光線偏轉(zhuǎn)角度是1.75，而牛頓萬有引力計算的偏轉(zhuǎn)角度為0.87。要拍攝到太陽附近的恒星，必須等待日全食的時候才可以。機(jī)會終于來了，1919 年 5 月29 日有一次條件極

5、好的日全食，英國愛丁頓領(lǐng)導(dǎo)的考察隊分赴非洲幾內(nèi)亞灣的普林西比和南美洲巴西的索布拉進(jìn)行觀測，結(jié)果兩個地方三套設(shè)備觀測到的結(jié)果分別是1.61 0.30、1.980.12和1.550.34，與廣義相對論的預(yù)測完全吻合，愛因斯坦因此名聲大噪。這是對廣義相對論的最早證實。70 多年以后“哈勃”望遠(yuǎn)鏡升空，拍攝到許多被稱為“引力透鏡”的現(xiàn)象，現(xiàn)如今也幾乎是路人皆知了。水星近日點(diǎn)進(jìn)動一直以來，人們觀察到水星的軌道總是在發(fā)生漂移，其近日點(diǎn)在沿著軌道發(fā)生5600.73 /百年是“進(jìn)動”現(xiàn)象。而根據(jù)牛頓萬有引力計算，這個值為5557.62 /百年，相差 43.11/百年。雖然這是一個極小的誤差，但是天文是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模?/p>

6、明明確實存在的誤差不能視而不見。很多科學(xué)家紛紛猜測在水星軌道內(nèi)側(cè)更靠近太陽的地方還存在著一顆行星影響著水星軌道，甚至已經(jīng)有人把它起名為“火神星”（ N 年之后居然還有中國學(xué)者管這個不存在的行星叫“祝融星”） 。不過始終未能找到這顆行星。1916 年， 愛因斯坦在論文中宣稱用廣義相對論計算得到這個偏差為42.98 /百年，幾乎完美地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動現(xiàn)象。愛因斯坦本人說，當(dāng)他計算出這個結(jié)果時， 簡直興奮地睡不著覺，這是他本人最為得意的成果。引力鐘慢同樣還是時空彎曲的結(jié)果。前文講到的都是空間上的影響，不論光還是水星都是在太陽附近彎曲的時空中運(yùn)動。既然被彎曲的是時空，自然要講時間的變化。廣義相對論

7、中具有基石意義的等效原理認(rèn)為：無限小的體積中均勻的引力場等同于加速運(yùn)動的參照系。而在引力場中引力勢較低的位置， 也就是過去我們所學(xué)的離天體中心越近，引力越大，那么時間進(jìn)程越慢，物體的尺度也越小。講通俗一點(diǎn)，拿地球舉例，站在地面上的人相比于國際空間站的宇航員感受到的引力更大，引力勢更低（這是比較容易理解的），那么地面上的人所經(jīng)歷的時間相比于宇航員走地更慢，長此以往將比他們更年輕！這項驗證實驗很早就做過。1971 年做過一次非常精確的測量，哈菲爾 （ J C Ha1ele） 和基丁 （ R E Keating）把 4 臺銫原子鐘分別放在民航客機(jī)上，在1 萬米高空沿赤道環(huán)行一周。一架飛機(jī)自西向東飛，

8、一架飛機(jī)自東向西飛，然后與地面事先校準(zhǔn)過的原子鐘做比較。同時考慮狹義相對論效應(yīng)和廣義相對論效應(yīng)，東向西的理論值是飛機(jī)上的鐘比地面快275 21 納秒 （ 10-9s） ， 實驗測量結(jié)果為快273 7 納秒，西向東的理論值是飛機(jī)上的鐘比地面慢40 23 納秒，實驗測量結(jié)果為慢59 10 納秒。其中廣義相對論效應(yīng)（即引力效應(yīng)）理論為東向西快179 18 納秒，西向東快144 14納秒，都是飛行時鐘快于地面時鐘；但需要注意的是，由于飛機(jī)向東航行是與地球自轉(zhuǎn)方向相同，所以相對地面靜止的鐘速度更快，導(dǎo)致狹義相對論效應(yīng)（即運(yùn)動學(xué)效應(yīng)）更為顯著，才使得總效應(yīng)為飛行時鐘慢于地面時鐘。此外， 1964 年夏皮羅提出一項驗證實驗，利用雷達(dá)發(fā)射一束電磁波脈沖，經(jīng)其他行星反射回地球再被接收。當(dāng)來回的路徑遠(yuǎn)離太陽，太陽的影響可忽略不計；當(dāng)來回路徑經(jīng)過太陽近旁，太陽引力場造成傳播時間加長，此稱為雷達(dá)回波延遲或叫“夏皮羅時延效應(yīng)”。天文學(xué)家后來通過金星做了雷達(dá)反射完全符合相對論的描述。2003 年天文學(xué)家利用卡西尼號土星探測器，重復(fù)了這項實驗，測量精度在0.002%范圍內(nèi)觀測與理論一致，這是迄今為止精度最高的廣義相對論實驗驗證。 （飛行原子鐘度數(shù)-地面原子鐘度數(shù)）單位： 10-9s 向東飛行144 14179 18 運(yùn)動學(xué)效應(yīng)-18