当爱因斯坦向普鲁士科学院发表了广义相对论的最终形式，他并没有立即获得巨大的荣耀。当时并没有多少人能够理解广义相对论的抽象数学概念，也没有足够的实验及观测证据证明广义相对论的正确性。经过了一个世纪，爱因斯坦的相对论通过了所有最精密地实验验证。 广义相对论仍然是解释引力最好的理论，在各个尺度上都被验证。广义相对论使全球定位系统GPS能够正常运作，它可以解释恒星轨道的异常，预言了巨恒星在生命的最后坍缩形成黑洞。 下面是六个广义相对论的六个标志性验证。 水星轨道近日点的进动 牛顿的万有引力定律在18世纪中期达到了顶峰，通过牛顿的引力定律天文学家预言了海王星的存在。1846年，法国天文学家奥本.勒维耶在分析天王星轨道的数据时发现了摄动，就好像有其它的行星在影响着它的运动。就在几个月之后，德国天文学家发现了海王星就在牛顿引力预言所在的轨道上。讽刺的是，在预言行星轨道获得巨大成功后，牛顿引力最终栽在另一颗行星的轨道，而这也为爱因斯坦的思想开启了一扇窗。 1859年，勒维耶发现，当水星运行到离太阳最近的地方，也就是近日点，它的实际轨道和牛顿力学所预测的有所偏差。这也就是所谓的水星近日点进动，进动的偏差并不多，每世纪相差43弧秒。 起初，天文学家假设在更靠近太阳的地方有另一个行星的存在，影响着水星的轨道。这个假设的行星被称为祝融星。但是，经过几十年对火神星的搜索天文学家一无所获。直到1915年，爱因斯坦的引力新理论完美的解决了水星轨道异常，这一切的罪魁祸首不过是太阳导致的时空畸变而造成的。 广义相对论同样精确地预言了地球、水星等其他行星的近日点进动。到了1930年代，由大质量恒星塌缩形成的致密双中子星系统，互相公转的脉冲双星的近拱点位移也以被测量，并完美符合广义相对论的预测。 星光在太阳附近偏折 爱因斯坦的广义相对论对水星近日点进动难题的解释并未给他带来太多的名声。事情多转变发生几年后，广义相对论的其它一项预言被验证：当遥远的星光经过太阳的引力场时，被太阳弯曲了的时空会使光线在太阳附近发生偏折。 爱因斯坦的新引力理论吸引了当时在剑桥大学天文系的爱丁顿爵士。爱丁顿抓住了一个验证光线偏折的绝佳机会：发生在1919年5月29日的全日食。当全日食发生时，太阳耀眼的光芒就会被遮挡住，为我们观测太阳背景恒星制造了机会。如果爱因斯坦的理论正确，那么恒星会发生偏折，也就是说遥远恒星的位置与视位置会有偏差。 爱丁顿组成了一对远征队，一队前往巴西塞阿蜡，一对前往非洲西岸的圣多美和普林西比，分别在日全食发生的时候对太阳附近的背景恒星星进行观测。观测的结果跟爱因斯坦的预测完全符合。 爱丁顿的实验使爱因斯坦成为了世界各地报纸的头版头条。顿时，报刊的标题充斥了诸如：“科学的革命” “宇宙的新理论” “牛顿时代结束”等。爱因斯坦，一位伟大的物理学家，成为了家喻户晓的名字。 由于时空在大质量天体附近发生了扭曲，使光线在天体附近发生弯曲，这个现象被称之为'引力透镜'，是探测宇宙的一个重要'工具'。比如一个巨大的星团可以放大遥远的原初星系，提供了一个窥探早期宇宙的重要途径。 光线的引力红移 前面提到的水星近日点进动和光线偏折，加上接下来要提的引力红移是爱因斯坦在1916年提出了三个检验广义相对论的实验。不幸地是，他无法见证引力红移被实验验证。 爱因斯坦在1907年从等效原理推导出光的引力红移效应。当一束光在逃逸一个大质量物体的时候，引力造成的时空弯曲使光线被拉长，换句话说光的波长变长了。光的波长和它的能量与颜色相关，能量较低的波长在光谱中偏红色，而波长较短能量较高的偏蓝色。广义相对论预言的光线在引力场下会红移的效应直到1958年穆斯堡效应的发现。哈佛的物理学家庞德和他的学生雷布卡才想到了一个主意。 他们在哈佛大学杰弗逊塔的顶部放置了一个放射性铁，并在塔的底部放置一个探测器。虽然塔的高度只有74英尺，但是却足够探测到辐射的伽玛射线因地球引力场造成的极小能量损失，这个实验在百分十的精度内次验证了爱因斯坦的理论预言。 为了更加明确的观测到相对论效应，NASA于1976年发射了“引力探测器A”。探测器携带了一个原子钟，研究人员的目的是为了探测光波的频率变化。这次，是在6200英里的高空，科学家证实在探测器上的原子钟比地球表面钟走的快了一百亿分之4.5，实验测量的结果跟广义相对论的预言只相差在百万分之70。 2010年，美国国家标准技术局的科学家利用高精密原子钟在实验上更推进一步，在一个一英尺高的升降梯里，时钟以400千万亿分之一快的速度流逝。通俗的说，在我们头上流逝的时间比较低快。 在日常生活中，广义相对论在GPS的应用中扮演着重要的角色，如果没有广义相对论的修正，GPS将无法正常运作。 引力时间延迟——夏皮罗效应 通常被列为检验广义相对论的第四个经典验证。欧文.夏皮罗提出了另一种可以在太阳系内对广义相对论进行验证的实验。该实验室通过记录光线从A点到B点再返回所需要的时间。如果爱因斯坦正确，光线在一个大质量天体附近传播，记录的时间会比较长。 1960年代，夏皮罗提出，当水星经过太阳附近的时候，可以通过反射水星的雷达信号记录来回时间对这个实验进行验证。夏皮罗计算，太阳的引力会使雷达的信号传播的时间比没有太阳存在时延迟200微妙。 实验从1966年开始，利用在MIT120英尺宽的“草堆”雷达天线接收水星反射回来的雷达信号，实验跟夏皮罗计算符合的很好，误差小于5%。 为了更进一步的验证夏皮罗效应，物理学家放弃了利用行星来验证，因为行星粗糙的行星表面会散射掉一些雷达信号，所以科学家寻找一些光滑的目标，比如太空飞船。在1979年，登录火星的海盗船探测器提供了验证夏皮罗效应的机会，将精度提高到误差0.1%。在2003年，意大利科学家利用飞往土星的卡西尼飞船再次将实验精度提高到误差只有0.002%。这些实验一次又一次以更高的精确度验证了广义相对论。 等效原理 广义相对论的核心是等效原理，在《从牛顿、麦克斯韦到爱因斯坦》一文详细的解释过这一原理。简单的说就是，所有的物体在一个引力场中都以同样的速度自由下落，与其质量或内在结构无关。普遍地说，在宇宙中无论何时何地，实验结果都是一样的。 基于该想法之上，给定在一个参考系中的物理定律，无论参考系在局域空间里的引力强度有多不同，这个原理都应该成立。换句话说，你在运行中的飞机上抛的硬币和在地面上抛一样。一般说来，实验的结果最终应该一致，这个结果不应受时间和地点影响。因此，贯穿漫漫时间长河的大自然的规则，应在宇宙每一个地方都一样，这种一致性可以追溯回大爆炸那一刻。 我们先说简单的：证据证明等效远离的第一部分提出于400多年前。1589年，意大利天文学家伽俐略从比萨斜塔顶端释放两个质量不同的小球。两个小球的材质虽然不同，会受到一定的空气阻力，但是却几乎同一时间着地了。400多年后的1971年，人类把这个小实验被搬到了月球上去做！在阿波罗15任务中，宇航员大卫斯科特在没有大气的月球上同时释放了一把锤子和一片羽毛，这两个物体一同降落，也一同砸向了月球表面。两个不同的物体以相同的速率自由下落。 阿波罗的宇航员还在月球上留下了反射镜，在这些小家伙们的帮助下，科学家们得以成功运用激光反射来测试月球相对于地球的准确位置。这些数据为“等效降落”概念提供了大量测试，同时也应证了自然规律在任何地方都是相同的。到现在，几十年的月球激光反射实验数据已将广义相对论验证精确到一百兆亿分之一。 这个设置也验证了月球向太阳的加速度与地球的相同，这一结果就和伽俐略在披萨顶楼所放下的小球、斯科特在月球上放落的不同物体一样。总而言之，根据等效原理，我们可以认为我们在向太阳同时投放地球和月球。 参考系拖曳效应 爱因斯坦的时空概念其实可以把时空想象成弹簧床。你可以想象把地球当作是一个保龄球，把保龄球放置在弹簧床上。保龄球的质量使弹簧床凹陷，一个在附近的行星或球会在地球的引力场下沿着凹陷转动。但是，橡胶垫子的比喻只是广义相对论图像的一部分。如果理论正确，一个自转的大质量天体应该会搅动周围的时空，这就好比把一个自转的地球放进蜂蜜罐的情形。 1960年，物理学家希望通过一个直接的实验对这个预言进行验证。步骤一，放置一个陀螺仪在一个绕行地球的人造卫星上。步骤二：把陀螺仪和一个指针对准一个远处的参考恒星。步骤三：观察陀螺仪上指针的改变，这些改变是由地球对周围时空的拖曳造成的。但是，听起来简单的一个实验却在44年后才实现，花费了7.5亿美元的引力探测器B于2004年发射。实验的结果在2011年宣布，尽管这是一次漫长的等待以及高精度要求使数据分析成为挑战，但是最终爱因斯坦再次正确，陀螺仪指倾斜了极其微小的角度。在牛顿力学中，这个指针会永远指向同一个方向。 在这一百年里，广义相对论通过了所有的实验，但是对它的检验还未结束。科学家还未没有在强引力的环境下对它进行检验，比如黑洞的附近。在这样极端的环境下，广义相对论是再次验证它强大的预言能力，还是会像牛顿力学在水星上失效，我想我们不应该放弃对它的检验。 今天是广义相对论发表的100周年，就在100年前的今天，爱因斯坦像普鲁士科学院发表了自己的论文，从此开启了探索宇宙的新篇章。 最后，附上小编参加的一个广义相对论100周年的庆祝的照片。原计划是霍金会出席演讲，但由于霍金身体因此无法出席。 |
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