廣義相對(duì)論的七大預(yù)言

1、廣義相對(duì)論的七大預(yù)言導(dǎo)讀都說引力波是相對(duì)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(duì)論的核心是解釋了時(shí)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(gè)。其中有些是愛因斯坦親口說的，有些是 相對(duì)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(gè)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(duì)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” 。

2、1907 年，愛因斯坦的長(zhǎng)篇文章關(guān)于 相對(duì)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(duì)論的畫卷徐徐展開。然而，這項(xiàng)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(chǎng)方程，至此，困擾多年的問 題基本都解決了，廣義相對(duì)論誕生了。 1916 年，愛因斯坦完 成了長(zhǎng)篇論文廣義相對(duì)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(duì)論稱為狹義相對(duì)論，將“在一切慣性系中（靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）物理規(guī)律同樣成 立”的原理稱為狹義相對(duì)性原理，繼而闡述了“通吃”的廣 義相對(duì)性原理：物理規(guī)律在無論哪種運(yùn)動(dòng)方式的參照系都成

3、 立（包括靜止、勻速直線運(yùn)動(dòng)、加速運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)等慣性 系和非慣性系） 。愛因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為，只要有非零質(zhì)量的物質(zhì)存在，空間和時(shí)間就會(huì)發(fā)生彎曲，形成 一個(gè)向外無限延伸的“場(chǎng)” ，物體包括光就在這彎曲的時(shí)空 中沿短程線運(yùn)動(dòng)，其效果表現(xiàn)為引力。所以人們把相對(duì)論描 述的彎曲的時(shí)空稱為引力場(chǎng)，其實(shí)在廣義相對(duì)論看來， “引 力”這個(gè)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(duì)論顛覆了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，那么 廣義相對(duì)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(jí)，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(duì)論提出后毫

4、無懸念地遇到了推廣的困難， 因?yàn)閷?duì)于我們這種生活在低速運(yùn)動(dòng)和弱引力場(chǎng)的地球人來 說，它太難懂了，太離奇了。但是逐漸地，人們?cè)谟钪孢@個(gè) 廣袤的實(shí)驗(yàn)室中尋找到了答案，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)論實(shí)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(duì)的。 光只不過是沿著時(shí)空傳播， 然而只要有質(zhì)量， 就會(huì)有時(shí)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(shí)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(huì)發(fā)生 偏轉(zhuǎn)。愛因斯坦預(yù)測(cè)光線偏轉(zhuǎn)角度是 1.75，而牛頓萬有引 力計(jì)算的偏轉(zhuǎn)角度為 0.87。要拍攝到太陽附

5、近的恒星，必 須等待日全食的時(shí)候才可以。機(jī)會(huì)終于來了， 1919年5月 29 日有一次條件極好的日全食， 英國(guó)愛丁頓領(lǐng)導(dǎo)的考察隊(duì)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(cè)，結(jié)果兩個(gè)地方三套設(shè)備觀測(cè)到的結(jié)果分別是 1.61 0.30、1.980.12和 1.550.34，與廣義相對(duì)論的 預(yù)測(cè)完全吻合，愛因斯坦因此名聲大噪。這是對(duì)廣義相對(duì)論 的最早證實(shí)。 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。2 水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng) 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(dòng)”現(xiàn)象。而

6、根據(jù) 牛頓萬有引力計(jì)算， 這個(gè)值為 5557.62 /百年，相差 43.11 /百年。雖然這是一個(gè)極小的誤差，但是天文是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，明?確實(shí)存在的誤差不能視而不見。很多科學(xué)家紛紛猜測(cè)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(guó)學(xué)者管這個(gè)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(duì)論計(jì)算得到這個(gè)偏差為42.98 /百年，幾乎完美地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。愛因斯坦本人說，當(dāng)他計(jì)算出這個(gè) 結(jié)果時(shí)， 簡(jiǎn)直興奮地睡不著覺， 這是他本人最為得意的成果。3 引力鐘慢同樣還

7、是時(shí)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(shí)空中運(yùn) 動(dòng)。既然被彎曲的是時(shí)空，自然要講時(shí)間的變化。廣義相對(duì) 論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(chǎng)等同于加速運(yùn)動(dòng)的參照系。而在引力場(chǎng)中引力勢(shì)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(shí)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(guó)際空間站的宇航員感受到 的引力更大，引力勢(shì)更低(這是比較容易理解的) ，那么地 面上的人所經(jīng)歷的時(shí)間相比于宇航員走地更慢，長(zhǎng)此以往將 比他們更年輕！ 這項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)很早就做過。 1971 年做過一次 非常

8、精確的測(cè)量，哈菲爾(JC.Halele)和基丁( R.E. Keating ) 把4 臺(tái)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，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(shí)考慮狹義相對(duì)論 效應(yīng)和廣義相對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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4023 納秒，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為慢 5910 納秒。其中廣義相對(duì)論效應(yīng)（即引力 效應(yīng)）理論為東向西快 17918 納秒，西向東快 14414 納 秒，都是飛行時(shí)鐘快于地面時(shí)鐘；但需要注意的是，由于

9、飛 機(jī)向東航行是與地球自轉(zhuǎn)方向相同，所以相對(duì)地面靜止的鐘 速度更快， 導(dǎo)致狹義相對(duì)論效應(yīng) （即運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)） 更為顯著， 才使得總效應(yīng)為飛行時(shí)鐘慢于地面時(shí)鐘。此外， 1964 年夏皮羅提出一項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)， 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(jì)；當(dāng)來回路徑 經(jīng)過太陽近旁，太陽引力場(chǎng)造成傳播時(shí)間加長(zhǎng)，此稱為雷達(dá) 回波延遲或叫“夏皮羅時(shí)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(duì)論的描述。 2003 年天文學(xué)家利用 卡西尼號(hào)土星探測(cè)器， 重復(fù)了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)， 測(cè)量精度在 0.002% 范圍內(nèi)觀測(cè)與理論一致，這是迄今為止精度最高的廣義相對(duì) 論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 T （飛行原子鐘度數(shù)-地面原子鐘度數(shù)） 單位： 10-9s 向東飛行向西飛行預(yù)測(cè)值引力效應(yīng)14