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广义相对论经历的6大考验  

2016-01-03 09:05:20|  分类: 科普读物 |  标签: |举报 |字号 订阅

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广义相对论经历的6大考验的头图

广义相对论经历的6大考验

爱因斯坦曾自豪地说,如果没有他,狭义相对论也会很快被别人想到,但广义相对论就不一样了。离开了他,恐怕不会那么容易地建立起来。

时至今天,你要是想钻研广义相对论,极可能依然会被其深奥的数学所吓倒,但其思想精髓几乎尽人皆知——引力可以解释为时空的弯曲。

引力不是已经被牛顿解释得好好的,爱因斯坦干嘛要标新立异呢?不用说,当然是如果不这样做,很多现象用旧理论就解释不了的缘故。

在过去的100年里,广义相对论不仅已解释了许多旧理论无法解释的现象,还做了许多新的预言,这些预言已经被后人一一证实。所以时至今天,广义相对论依然是我们对引力现象的最好解释。下面,我们不妨来看一看广义相对论经受住时间考验的6个例子。

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水星近日点进动异常

19世纪中期海王星的发现一直被视为牛顿的引力理论所取得的最伟大的成就。1846年,法国数学家勒威耶在研究天王星轨道数据时,意识到它的一些异常行为可能是由另一颗未知的大质量天体引起的。他根据牛顿的引力定律,计算出未知天体的大致的位置。仅仅过了几个月,一位德国天文学家就在该位置上观察到了一颗新的行星,即海王星。

然而在太阳系内,另一颗早已熟知的行星,反倒成了牛顿理论的“肉中刺”。这颗行星就是离太阳最近的水星。

1859年勒威耶发现,水星每一次抵达它离太阳最近的位置(即水星的近日点),都比牛顿理论的预言晚了半秒钟。这就是所谓的“水星近日点进动异常”。这个进动异常虽然并没有多少,每一周期仅偏离牛顿理论预言值的亿分之一,然而随着水星一圈一圈地运动(水星的公转周期是88天),这个效果是在不断累积的,所以水星的近日点偏离牛顿理论预言的位置会愈来愈远。

起初,就像天王星的情况一样,大家猜测,一定有一颗新的行星潜伏在水星附近,从而影响了它的轨道运动。人们还把这颗未知天体命名为“火神星”。但经过连续数十年的搜索,人们也依然没有发现它的影子。

1915年,爱因斯坦利用广义相对论准确计算出了水星近日点进动的异常值,并把它归因于太阳的巨大质量所引起的时空弯曲。

颇具讽刺意味的是,后来人们还发现,天王星的轨道也存在近日点进动异常,这个异常最后也是借助广义相对论才得以圆满解决的。迄今,与水星近日点进动类似的所有现象都跟广义相对论的预言符合得很好,其中还包括太阳系外的双中子星系统,尽管这类天体在1930年代之前甚至还没有人能够想像得到。

光的传播方向被天体偏转

爱因斯坦虽然成功地解释了水星近日点进动异常问题,但这项成果并没有引起特别大的反响。真正把他推向超级明星的地位,是几年之后的另一项成就。

在广义相对论创立之初,爱因斯坦就做了一个大胆的预言:像太阳这样的大质量天体,会引起其周围的时空弯曲,足可改变从它附近穿过的光的传播路径。

这个预言引起英国天文学家爱丁顿的极大兴趣。他意识到,1919年3月29日,当太阳经历一场日全食时,是验证广义相对论的一次绝佳机会。届时,太阳正穿过以一个叫“毕星团”的明亮星系团为背景的天区,而来自太阳自身的绝大部分光芒都被月球遮挡了。如果爱因斯坦是对的,太阳的存在将会把来自毕星团的光线偏转,使毕星团在天空中观察到的位置跟实际位置稍有偏离。

爱丁顿随即派遣了两支考察队,一支奔赴巴西,另一支奔赴非洲西海岸,去观察当日全食发生时毕星团星光的偏转。确实,后来两支考察队不辱使命,都观察到了星光的微小偏移,偏移量则跟广义相对论的预言完全一致。

这个重大发现很快成为世界各地媒体的头条。当年11月出版的英国《泰晤士报》宣称:“在科学领域发生了一场革命,确立了一种新的宇宙理论,牛顿的思想被推翻了。”爱因斯坦作为一名物理学家,从此变得家喻户晓。

此后,这一现象还在天文学上找到奇妙的应用。当来自遥远星系的光穿过一个大质量星系团附近时,光线被弯曲,在后方汇聚,这个星系团实质上起到透镜的作用,所以就成了一个“引力透镜”。我们知道,透镜可以让远方物体所成的像更加清晰,所以“引力透镜”能让天文学家看得更远。如今,“引力透镜”已经成了天文学家探索宇宙的重要工具。

光的引力红移

与前两个例子一样,这第三个例子也经受了多次的检验——这些检验被爱因斯坦认为对于验证广义相对论的正确性是至关重要的——而且是唯一爱因斯坦生前没看到被证实的预言。

广义相对论预言,当光从一个大质量物体发出之后,由引力导致的弯曲时空会把光的波长拉长。对于光而言,波长越长,在光谱中就越靠近红色的一端,所以,该效应相当于让光往红端移动,即所谓的“红移”。引力红移的另一个等价的说法是:在引力场越强的地方,时间流逝得越慢。

数十年来,广义相对论所预言的引力“红移”实在太小了,很难被探测到。但在1959年,美国哈佛大学的两位物理学家想到了一个办法。他们在一座建筑物地下室放置了一个放射性样品,让伽马射线(一种波长极短的电磁波)从地下室射到屋顶,在屋顶再放置一个探测器。尽管从地下室到屋顶间距不过22米,但由于地球引力造成的时空弯曲,伽马射线的波长可被拉长万亿分之几。实验结果完全符合广义相对论的预言。

为了更精确地验证这一效应,美国宇航局在1976年又发射了搭载有一个原子钟的引力探测器A。在9960千米的高度,引力探测器A上的原子钟比地面的原子钟每秒大约快了百万分之70(因为高空的地球引力小)。这一结果跟广义相对论的预言完全吻合,精确度是前所未有的。2010年,美国国家标准技术研究所的科学家甚至走得更远。他们证明,在电梯上仅仅高1英尺(约0.3米),原子钟每秒大约就快了千万亿分之400。换句话说,你的头部比足部差不多也要衰老得快这么多。

引力红移效应已经影响到了全球定位系统。为了消除在地面和高空时间流逝快慢不一样的问题,科学家不得不对全球定位系统上的时间不断进行校准。没有校准,全球定位系统就不能工作。

光的相对论延迟效应

这一效应通常被认为是广义相对论所经历的第4个检验,是由哈佛大学的物理学家埃文·夏皮罗想出来的。这个实验测量光从A物体到B物体以及从B物体返回所需要的时间。如果爱因斯坦是对的,当在AB路径附近有一个大质量物体时,光来回传播所需要的时间会长一些。这是因为当AB路径附近没有大质量物体时,光走的是一条直线;当存在大质量物体时,由于时空弯曲,光实际上走了一条弯路,所以耗时就长了。

在1960年代早期,夏皮罗建议,当水星运动到离太阳比较近时,通过从水星反射回来的雷达波信号来验证这一效应。根据他的计算,与水星离太阳较远时比较,在扣除两种情况下地球与水星的距离变化之后,太阳的引力应该能够使反射回地球的雷达波信号延迟两百万分之一秒。

检验是从1966年开始的,科学家借助位于麻省理工学院的一架直径36米宽的射电波天线,探测到从水星反射回来的雷达波非常接近夏皮罗计算的结果。

为了进一步验证这一效应,后来的实验放弃了行星,因为行星粗糙不平的表面会把一部分雷达波信号散射掉,而改为反射效果更好的物体——太空飞行器。1979年,科学家利用“维京号”火星登陆车验证了这一效应。2003年,意大利研究人员在与当时正飞往土星途中的“卡西尼号”飞行器通讯时,也探测到一个时间延迟,精度达到百万分之20,甚至比用“维京号”所取得的结果还好50多倍,而且与广义相对论的预言惊人得符合。

对等效原理的检验

广义相对论是建立在等效原理基础上的,所以通过验证等效原理,也可以对广义相对论进行检验。

等效原理说,任何物体不论什么样的质量和构成,在引力场中都以相同的加速度下落。基于这一思想,广义地说,自然规律应该在任何地方、任何时候都一样。

支持等效原理第一个证据来自4个世纪前。1589年,著名的意大利天文学家伽利略从举世闻名的比萨斜塔上扔下两个球,这两个球尽管是用不同材料做的,但在空气阻力忽略不计的情况下,却同时落地。

一转眼到了1971年,科学家在月球上做了一个更具说服力的实验。在“阿波罗15号”计划中,宇航员同时扔下一个铁锤和一根羽毛。人们发现,在没有空气的月球环境中,两个物体在同一时间着地,从而印证了伽利略的实验。

阿波罗计划的宇航员还在月面上留下了一些反射镜。这些奇特的镜子让地球上的科学家可以通过从月球上反射的激光,精确测量月球相对地球的位置,精度可达0.06毫米。

由于地球和月球同处于太阳的引力场中,科学家利用这些反射镜装置证明,月球朝向太阳运动的加速度跟地球朝向太阳的加速度是一样的(我们可以把圆周运动看成是在切线方向的匀速运动和在径向方向的自由落体运动的合运动),再次印证了等效原理的正确性。

时空拖曳效应

广义相对论还预言了处于转动状态的大质量物体会拖曳其周围的时空,这种现象被称作“时空拖曳效应”。

要想理解这一点,你不妨把时空想像成一锅蜂蜜,当一个物体在其中转动时,会拖曳周围的蜂蜜,让它们的位置发生改变。

大约在1960年,物理学家想像出一个实验来验证这个预言。第一步:在一颗环绕地球的人造卫星上放置一个陀螺仪。第二步:把陀螺仪的自转轴对准选定的一颗遥远恒星。第三步:经过一段时间后,查看陀螺仪的自转轴朝向有没有偏离原先所指向的恒星,若有偏离,偏离的程度多大。

这一设想直到44年后才在技术上成为可能。2004年4月,美国宇航局发射了“引力探测器B”,上面搭载了一个精度极高的陀螺仪(为保证陀螺仪的精确度,组成陀螺仪的石英球被打磨得非常接近于理想的球体)。经过了2年多的数据收集之后,测量结果再次支持了广义相对论的这一预言。

俗话说,“真金不怕火炼”。从上述6个例子中,我们看到广义相对论一次次经受了检验。不过尽管这些检验给人印象深刻,但都有一个缺陷,即都是在引力较弱的地方,像太阳或地球的引力场中开展的。在引力极强的地方,比如说在黑洞附近,会如何?广义相对论会不会失灵呢?我们却不得而知。所以对广义相对论的检验还将不断地深入下去。


(本文源自大科技*科学之谜2015年第12期文章)

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