《人類科學技術史-331》廣義相對論的實驗驗證

廣義相對論的實驗驗證

根據廣義相對論的理論，愛因斯坦預言了三個重要的效應。這三個效應都陸續得到了實驗的驗證：

1.水星軌道近日點的進動

行星繞太陽的運行軌道問題就是粒子繞力心作束縛態運動時的軌道問題。根據牛頓理論可以求得行星繞太陽運行的橢圓軌道方程，作為力心的太陽處于行星橢圓軌道的一個焦點上，軌道上離太陽最近的點即近日點，焦點和近日點均在橢圓軌道的長軸上?？紤]到其他行星的影響，每個行星繞太陽轉動一個周期，運行軌道的長軸就會繞一個焦點(太陽）發生緩慢的轉動，近日點也就不斷前移。這種現象被稱為"行星軌道近日點的進動"。1845年，法國天文學家勒維列(1811-1877）在觀測水星軌道近日點的進動時發現，考慮太陽系中所有其他行星對水星的影響后，軌道近日點進動的觀測值與理論值每百年要相差38秒。1882年，美國天文學家紐康重新測定了這個差值為43秒。(現測值為42.6秒）

勒維列根據他發現海王星的經驗預言，水星近日點的進動的差值是由于尚未發現的"火神星"的存在而引起的。但是，之后的數十年里，許多天文學家尋找"火神星"的努力都失敗了。水星軌道近日點的差值問題成為一個謎。

愛因斯坦的廣義相對論建立以后，行星繞力心太陽作束縛態運動的動力學方程考慮了因太陽引力場引起的時空背景的變化。由這樣的動力學方程解得，行星的運行軌道將緩慢地在它自己的平面上旋轉，軌道的長軸每個周期將發生一定的偏轉，近日點和遠日點的位置也不再是固定不動的了。理論計算得出，僅因這種廣義相對論效應，每百年水星近日點的進動值約為43秒。這種廣義相對論效應有力地解釋了水星近日點進動的差值問題。勒維列的觀測結果也成為廣義相對論的有力實驗驗證之一。

理論還表明，不僅水星的軌道近日點有進動差值問題，金星、地球、小行星的軌道也有同樣的差值問題，只是水星離太陽最近，差值效應最明顯而最容易被觀測到而已。人造衛星繞地球的運行也可以用來驗證這種差值效應。雖然人造衛星的質量小，這種差值效應比較小，但是，衛星繞地球運行的周期短，也就比較容易在不太長的時間內觀測到進動差值的累計效應。

2.光線在引力場中的偏折。

廣義相對論的等效原理中，慣性質量是動質量M而不是靜止質量M。因此，具有動質量的光子與其他靜止質量不為零的粒子一樣也應參與一切引力效應，光子要產生引力場也要受到引力場的作用。根據新的引力場理論，引力場中光的傳播路徑彎曲并不是光本身的新的性質，而是物質存在的空間的新的性質，即空間彎曲的性質，如果空間本身是彎曲的，那么，原來是直線的現象自然應納入彎曲的"軌道"了。

1911年，愛因斯坦就預言了光線在太陽引力場中將要發生偏折的廣義相對論效應，并給出0.83秒的偏折值。1914年8月，德國天文學家費羅因德利希帶領觀測隊到俄國的克里米亞半島，希望利用那里發生日全食的時機，驗證愛因斯坦的預言。不巧，第一次世界大戰爆發了，觀測隊被捉了起來，在交換戰俘時被遣回德國，未能完成這次實驗。

1915年，愛因斯坦改正了他預言的數值，提出，光線經過太陽邊緣時將要偏折約1.7秒。1916年，英國天文學家愛丁頓(1882-1944)讀了愛因斯坦的《廣義相對論基礎》，立刻認識到這一篇文章的偉大意義，決定利用1919年5月29日將要發生的日全食的機會來驗證光線在引力場中的偏折效應，并推動英國皇家天文學會著手日全食觀測的準備工作。是年，分別由愛丁頓和克羅姆林(1865-1939）率領的兩支遠征觀測隊到西非幾內亞灣的普林西比島和巴西的索布拉耳拍攝日全食照片，以確定恒星發出的光經越太陽引力場時是否發生了偏折。1919年11月6日英國皇家天文學會公布了兩隊的觀測結果，它們分別是1.98±0.12秒和1.61±0.30秒。

1922年9月21日，另一支觀測隊在澳大利亞又進行了一次定量觀測，結果是1.72±0.25秒。

1969年以后，科學工作者對類星體所作的觀測實驗，也都證實了這一廣義相對論效應。對400顆星的觀測實驗給出的偏折平均值是1.89秒。

1919年的觀測是一次轟動全世界的科學觀測，愛因斯坦預言被證實的消息使他一夜之間成為全球的著名人物，也極大地引起人們對廣義相對論的重視和興趣。愛因斯坦創立的這樣一種理論不僅能解釋人們長期以來無法解釋的實驗事實，而且能預言非同尋常的未知現象，不能不讓人驚嘆其巨大的成功。

3.引力紅移(光譜線的紅向移動）的實驗驗證

水星近日點的進動差值和光線在引力場中的偏折從不同角度反映了引力場對空間的影響，特別是后者，它表明了以有限速度傳播的一切物理現象在引力場的強制下進入局部彎曲的路徑。這種現象描述的不是光的什么新的性質，而是有物質分布的空間所具有的未被人們認識到的性質，即有物質分布的空間本身彎曲的性質。這種性質使原來是直線的現象都要強制納入彎曲的軌道。

引力紅移是廣義相對論預言的另一個效應，體現了引力場對時間(頻率）的影響。廣義相對論的理論指出，光線在穩定引力場中傳播時，頻率要發生改變，從引力場強的地方向引力場弱的地方傳播，光子頻率將變小，相應的波長將增加，譜線紅移。這種引力紅移也稱相對論紅移。

1925年，美國天文學家亞當斯(1876-1956)通過對天狼星伴星的觀測首先驗證了相對論紅移。天狼星伴星與白矮星相似，是一顆密度很大的星體。它的強引力場引起的引力紅移量要比太陽引力場的強得多。

列布卡和龐德還通過地球引力場中的穆斯堡爾效應，驗證相對論紅移。他們利用一種人造同位素冷卻后發出單一頻率的射線，使射線逆著地球引力場前進，并通過分析器測定其頻率的變化。觀測結果與廣義相對論的理論推斷完全一致。

廣義相對論的實驗驗證還有雷達回波延遲，行星自轉軸的進動等。廣義相對論還預言，加速運動的質量如加速運動的電荷激發電磁波一樣將激發引力波。但是引力波非常微弱，在目前的實驗條件下是很難探測到的。世界上的許多研究組為探測引力波而努力，1969年和1978年曾有兩次探測到引力波的實驗報道，但因為他們的實驗結果沒有能被重復獲得，均未得到公認。

因此，引力波探測目前仍是廣義相對論實驗研究的一項重要課題。

廣義相對論是愛因斯坦在一種哲學思想的指引下對狹義相對論的邏輯推廣，創立過程中，抽象和數學的思維分析的確發揮了巨大的作用，但是，廣義相對論并不是純思辯的產物。愛因斯坦曾反駁過這種說法，"從來沒有一個真正有用的和深入的理論果真是由純思辯去發現的，廣義相對論的創立完全由于要想使物理理論盡可能適應于觀察到的事實。"這些事實有引力質量和慣性質量的等價性，有實際上并不存在的慣性系以及慣性系概念循環定義的問題等。而牛頓引力理論的成就及表現出的局限性，相對性原理的發展以及1901年就已經相當成熟的非歐幾何和張量分析方法等都為廣義相對論發展提供了堅實的基礎。

廣義相對論在哲學上的重要性還在于，驗證了辯證唯物主義所主張的論點：空間和時間都是運動著的物質的"存在形式"。狹義相對論把時間、空間與物質的運動聯系了起來，廣義相對論則揭示了時間、空間和物質分布的關系，把物質、運動、時間、空間進一步統一了起來，把物體運動的物理本質和時間空間的幾何描述統一了起來，這種現代的時空理論從新的高度上否定了牛頓的絕對時空觀。愛因斯坦曾向一位記者開玩笑地解釋了相對論的成果，他說，如果所有東西都從世界中遠離出去的話，人們過去會認為，殘留下來的便是空間和時間；而現在，人們知道了單獨的時間和空間根本不存在。

1955年的國際相對論會議上，德國著名物理學家玻恩(1882-1970)說："對于廣義相對論的提出，我過去和現在都認為是人類思索大自然的最偉大的成果，它把哲學的深奧、物理學的直觀和數學的技藝令人驚嘆地結合在一起。"