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都说引力波是相对论预言中的最后一块拼图。那么爱因斯坦还有哪些预言呢？本期我们就来梳理一下这方面的内容。需要说明的是，广义相对论的核心是解释了时空弯曲，因此所有的预言都与此有关，但为了更说明问题，我们把有些类似的现象拆分成几个。其中有些是爱因斯坦亲口说的，有些是相对论的推论。 1905年，爱因斯坦横空出世！还是瑞士伯尔尼专利局小职员的他在这一年里连续发表了六篇论文，开启了现代物理学的新篇章，创造了神乎其神的“奇迹年”。然而这只是个开头。 爱因斯坦并不满足于解决了惯性系的问题，他志存高远，要把相对性原理拓展到更普适的非惯性系中，彻底颠覆人们的“宇宙观”。1907年，爱因斯坦的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，第一次抛出了“等效原理”，广义相对论的画卷徐徐展开。然而，这项工作十分艰巨，直到1915年11月。爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，提出了天书一般的引力场方程，至此，困扰多年的问题基本都解决了，广义相对论诞生了。1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，文中，爱因斯坦正式将此前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将“在一切惯性系中（静止状态和匀速直线运动状态）物理规律同样成立”的原理称为狭义相对性原理，继而阐述了“通吃”的广义相对性原理：物理规律在无论哪种运动方式的参照系都成立（包括静止、匀速直线运动、加速运动、圆周运动等惯性系和非惯性系）。 爱因斯坦的广义相对论认为，只要有非零质量的物质存在，空间和时间就会发生弯曲，形成一个向外无限延伸的“场”，物体包括光就在这弯曲的时空中沿短程线运动，其效果表现为引力。所以人们把相对论描述的弯曲的时空称为引力场，其实在广义相对论看来，“引力”这个东西是不存在的，它只是一种效果力，与所谓离心力类似。如果说狭义相对论颠覆了牛顿的绝对时空观，那么广义相对论几乎把万有引力给一脚踹下去了。倒不是说爱因斯坦否定了牛顿，而是完成了经典物理的一次华丽丽的升级，只是如此彻底以至于经典物理变得面目全非了。 广义相对论提出后毫无悬念地遇到了推广的困难，因为对于我们这种生活在低速运动和弱引力场的地球人来说，它太难懂了，太离奇了。但是逐渐地，人们在宇宙这个广袤的实验室中寻找到了答案，发现了相对论实在是太神奇、太精彩、太伟大了。 几乎所有人在中学里都学过光是直线传播，但爱因斯坦告诉你这是不对的。光只不过是沿着时空传播，然而只要有质量，就会有时空弯曲，光线就不是直的而是弯的。质量越大，弯曲越大，光线的偏转角度越大。太阳附近存在时空弯曲，背景恒星的光传递到地球的途中如果途径太阳附近就会发生偏转。爱因斯坦预测光线偏转角度是1.75″，而牛顿万有引力计算的偏转角度为0.87″。要拍摄到太阳附近的恒星，必须等待日全食的时候才可以。机会终于来了，1919年5月29日有一次条件极好的日全食，英国爱丁顿领导的考察队分赴非洲几内亚湾的普林西比和南美洲巴西的索布拉进行观测，结果两个地方三套设备观测到的结果分别是1.61″±0.30″、1.98″±0.12″和1.55″±0.34″，与广义相对论的预测完全吻合，爱因斯坦因此名声大噪。这是对广义相对论的最早证实。70多年以后“哈勃”望远镜升空，拍摄到许多被称为“引力透镜”的现象，现如今也几乎是路人皆知了。 一直以来，人们观察到水星的轨道总是在发生漂移，其近日点在沿着轨道发生5600.73″/百年是“进动”现象。而根据牛顿万有引力计算，这个值为5557.62 ″/百年，相差43.11″/百年。虽然这是一个极小的误差，但是天文是严谨的，明明确实存在的误差不能视而不见。很多科学家纷纷猜测在水星轨道内侧更靠近太阳的地方还存在着一颗行星影响着水星轨道，甚至已经有人把它起名为“火神星”（N年之后居然还有中国学者管这个不存在的行星叫“祝融星”）。不过始终未能找到这颗行星。1916年，爱因斯坦在论文中宣称用广义相对论计算得到这个偏差为42.98″/百年，几乎完美地解释了水星近日点进动现象。爱因斯坦本人说，当他计算出这个结果时，简直兴奋地睡不着觉，这是他本人最为得意的成果。
同样还是时空弯曲的结果。前文讲到的都是空间上的影响，不论光还是水星都是在太阳附近弯曲的时空中运动。既然被弯曲的是时空，自然要讲时间的变化。广义相对论中具有基石意义的等效原理认为：无限小的体积中均匀的引力场等同于加速运动的参照系。而在引力场中引力势较低的位置，也就是过去我们所学的离天体中心越近，引力越大，那么时间进程越慢，物体的尺度也越小。讲通俗一点，拿地球举例，站在地面上的人相比于国际空间站的宇航员感受到的引力更大，引力势更低（这是比较容易理解的），那么地面上的人所经历的时间相比于宇航员走地更慢，长此以往将比他们更年轻！这项验证实验很早就做过。1971年做过一次非常精确的测量，哈菲尔（J．C．Ha1ele）和基丁（R．E．Keating）把4台铯原子钟分别放在民航客机上，在1万米高空沿赤道环行一周。一架飞机自西向东飞，一架飞机自东向西飞，然后与地面事先校准过的原子钟做比较。同时考虑狭义相对论效应和广义相对论效应，东向西的理论值是飞机上的钟比地面快275±21纳秒（10-9s），实验测量结果为快273±7纳秒，西向东的理论值是飞机上的钟比地面慢40±23纳秒，实验测量结果为慢59±10纳秒。其中广义相对论效应（即引力效应）理论为东向西快179±18纳秒，西向东快144±14纳秒，都是飞行时钟快于地面时钟；但需要注意的是，由于飞机向东航行是与地球自转方向相同，所以相对地面静止的钟速度更快，导致狭义相对论效应（即运动学效应）更为显著，才使得总效应为飞行时钟慢于地面时钟。 此外，1964年夏皮罗提出一项验证实验，利用雷达发射一束电磁波脉冲，经其他行星反射回地球再被接收。当来回的路径远离太阳，太阳的影响可忽略不计；当来回路径经过太阳近旁，太阳引力场造成传播时间加长，此称为雷达回波延迟或叫“夏皮罗时延效应”。天文学家后来通过金星做了雷达反射完全符合相对论的描述。2003年天文学家利用卡西尼号土星探测器，重复了这项实验，测量精度在0.002%范围内观测与理论一致，这是迄今为止精度最高的广义相对论实验验证。
从大质量天体发出的光（电磁辐射），由于处于强引力场中，其光振动周期要比同一种元素在地球上发出光的振动周期长，由此引起光谱线向红光波段偏移的现象。只有在引力场特别强的情况下，引力造成的红移量才能被检测出来。二十世纪六十年代，庞德、雷布卡和斯奈德在哈佛大学的杰弗逊物理实验室（Jefferson Physical Laboratory）采用穆斯堡尔效应的实验方法，定量地验证了引力红移。他们在距离地面22.6米的高度，放置了一个伽马射线辐射源，并在地面设置了探测器。他们将辐射源上下轻轻地晃动，同时记录探测器测得的信号的强度，通过这种办法测量由引力势的微小差别所造成的谱线频率的移动。他们的实验方法十分巧妙，用狭义相对论和等效原理就能解释。结果表明实验值与理论值完全符合。2010年来自美国和德国的三位物理学家马勒（H．Muller）、彼得斯（A．Peters）和朱棣文通过物质波干涉实验，将引力红移效应的实验精度提高了一万倍，从而更准确地验证了爱因斯坦广义相对论。 1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西计算得到爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，质量大到一定程度，引力将把大量物质集中于空间一点，并产生奇异的现象。这种天体被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒命名为“黑洞”。史瓦西的解表明黑洞的质量极其巨大，而体积却十分微小，密度异乎寻常的大，它所产生的引力场极为强劲，以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界（临界点）内，便再无法逃脱，甚至传播速度最快的光（电磁波）也无法逃逸。如果太阳要变成黑洞就要求其所有质量必须汇聚到半径仅3千米的空间内，而地球质量的黑洞半径只有区区0.89厘米。1964年，美籍天文学家里卡多·吉雅科尼（Riccardo Giacconi）意外地发现了天空中出现神秘的X射线源，方向位于银河系的中心附近。1971年美国“自由号”人造卫星发现该X射电源的位置是一颗超巨星，本身并不能发射所观测到的X射线，它事实上被一个看不见的约10倍太阳质量的物体牵引着，这被认为是人类发现的第一个黑洞。虽然黑洞不可见，但是它对周围天体运动的影响是显著的。现在，黑洞已经被人们普遍接受了，天文学家甚至可以用光学望远镜直接看到一些黑洞吸积盘的光。 一个旋转的物体特别是大质量物体还会使空间产生另外的拖曳扭曲，就好像在水里转动一个球，顺着球旋转的方向会形成小小的波纹和漩涡。地球的这一效应，将使在空间运行的陀螺仪的自转轴发生41/1000弧秒的偏转，这个角度大概相当于从华盛顿观看一个放在洛杉矶的硬币产生的张角。2004年4月20日，美国航天局“引力探测-B”（GP-B）卫星从范登堡空军基地升空，以前所未有的精度观测“测地线效应”，从而寻找“惯性系拖曳”效应的迹象。卫星在轨飞行了17个月，随后研究人员对测量数据进行了5年的分析。2011年5月4日美国航天局发布消息称，GP-B卫星已经证实了广义相对论的这项预测。但是该项目的经济性和必要性受到很多批评的声音。 爱因斯坦在发表了广义相对论后，又进一步阐述引力场的概念。牛顿的万有引力定律显示出引力是“超距”的，比如太阳如果突然消失，那么地球就会瞬间脱离自己的轨道，这似乎是正确的。但爱因斯坦提出“引力”需要在时空中传递，需要时间，质量的变化引起引力场变化，引力会以光速向外传递，就像水波一样，这就是“引力波”的由来。不过爱因斯坦知道引力波很微弱，像太阳这样的恒星是不能引起剧烈扰动的，连自己都认为可能永远都探测不到。1974年，美国物理学家泰勒（Joseph Taylor）和赫尔斯（Russell Hulse）利用射电望远镜，发现了由两颗中子星组成的双星系统PSR1913+16，并利用其中一颗脉冲星，精准地测出两个致密星体绕质心公转的半长径以每年3.5米的速率减小，3亿年后将合并，系统总能量周期每年减少76.5微秒，减少的部分应当就是释放出的引力波。泰勒和赫尔斯因为首次间接探测引力波而荣获1993年诺贝尔物理学奖。如今我们已经直接“听”到了引力波悦耳动听的声音，这预示着现代物理学崭新的篇章就此开启！ |
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