验证广义相对论的实验.docx

2002年第2期物理通报 物理学史验证广义相对论的实验柯惟力，(江苏广播电视大学基础部江苏南京 210013)摘要：广义相对论建立近一个世纪，除了爱因斯坦指出的行星轨道近日点的进动、引 力场中光线的弯曲、星系光谱线的引力红移等三项验证实验以外，雷达回波延迟和脉冲双 星观察等实验也都验证了广义相对论的正确性关键词：广义相对论 实验 验证 中图分类号：O 4 文献标识码：El爱因斯坦指出三大验证实验 力定律，太阳系中行星的运动轨道应该为一1905年，当爱因斯坦发表著名的历史文 个严格的椭圆，是一条闭合的曲线，而太阳 献论动体的电动力学，建立狭义相对论的 位于椭圆的一个焦点上然而从1859年起， 时候，他的理论并不被人们接受，遭到很多 天文学家就发现，行星的运动轨迹并不是严 人(包括若干有声望的科学家)的怀疑甚至 格闭合的椭圆行星每绕太阳公转一圈，其反对，因为狭义相对论崭新的时空观与经典椭圆轨道的长轴 的物理观念大相径庭、不可思议，因为缺乏就略有转动，通常称为行星近日 实验的验证，也因为当时的爱因斯坦只是一(或远日)点的个20多岁的专利局办事员进动，如图l所 爱因斯坦没有因此却步，他继续考虑将示特别是离太相对论推广到非惯性系从1907年到1916图1阳最近的水星，年，爱因斯坦连续发表了多篇文章，不断完进动观察值为每一百年10332073”一般善广义相对论的理论，并引入黎曼的弯曲空认为水星除了主要受到太阳的引力外，还受间在1916年发表的广义相对论的基础到太阳系中其他各个行星相对而言小得多中爱因斯坦指出：在太阳系中，牛顿引力理的引力而且人们是从地球也在自转和公转论可以看作相对论引力理论的第一级近似的非理想惯性系中观察，所以有缓慢的进爱因斯坦同时指出，通过测量行星轨道近日动用牛顿引力理论计算，考虑到上述影响点的进动、引力场中光线的弯曲、星系光谱后的进动值仍比实际观测值小4311虽然线的引力红移等三项实验可以验证广义相数值很小，却已超出了观测精度允许的误差对论范围而且太阳系的其他行星也存在着类似2 行星轨道近日点的进动的数值很小的近日点多余进动根据牛顿运动定律和平方反比万有引41- 万方数据2002年第2期物理通报 物理学史为了解释这种差异，曾经成功地预言海 验证王星存在的天文学家勒维耶(Le Verrier)，预 在以后的日全食过程中进行的类似观 言在太阳附近还有一颗未被发现的小行星， 测也都支持广义相对论的结论日全食的机 即在水星轨道之内还有一颗“水内行星”这 会毕竟比较少，科学家们希望在其他时间也 颗水内行星对水星的引力作用导致多余进 有可能进行这样的实验20世纪60年代以 动值的出现但是对预言的天空区域进行了 后发展起来的射电天文学，使人们可以利用 多年的仔细搜索，始终没能找到这颗假想的 射电天文望远镜在平时对被太阳遮掩的射 水内行星水内行星成了牛顿引力理论多年 电源进行测量，而且分辨率有较大提高 未解决的问题而根据广义相对论，天体的 1975年观测到无线电波经由太阳表面附近 质量越大，其附近的时空就越弯曲行星在 时的偏转角是1761”016”，与广义相对 弯曲的时空中沿短程线运动水星是最靠近 论理论预言值175”的不确定度已小于百 太阳的行星，这里的引力场比太阳系中其他 分之一行星所处位置的引力场强得多，时空也就弯 4光谱线的引力红移 曲得厉害另外水星运动轨道的偏心率较 广义相对论认为，光线在引力场中传播 大，所以水星近日点多余进动值比其他行星 时，它的频率会发生变化。当光线从引力场 值要大爱因斯坦在1915年依广义相对论计 强的地方(例如太阳附近)传播到引力场弱 算出的水星近日点多余进动值与实际观测 的地方(例如地球附近)时，其频率会略有降 值相当吻合因此水星轨道近日点的进动被 低，波长稍增，即发生引力红移当光线反向 看作建立广义相对论初期的第一个重大实 传播时，频率增加，波长变短，即发生引力蓝 验验证后来测到的地球、金星等行星的近 移爱因斯坦在1911年计算出，从太阳射到 日点进动值也与广义相对论的计算值吻合地球的光线的相对引力红移变化是2 得相当好 10这个数值很小，测量起来相当困难3光线在引力场中的偏转 白矮星的质量大，半径小，其发出光的 根据广义相对论，光线在引力场中也会 引力红移效应较显著1925年天文学家亚当 发生弯曲偏转不过因为这种偏转很小，在 斯(WSAdams)观测了一颗白矮星天狼A， 地球上不太容易观察到爱因斯坦在1911年测到的引力红移与广义相对论的理论基本指出，如利用日全食的特殊机会，测量日全 相符20世纪6070年代测得太阳光谱线 食时看起来位于太阳附近星球的位置，再与 的引力红移值与理论值的不确定度已小于 平时这些星球的位置相比较，应观察到这种 57 偏转1916年，他又计算出光线经由太阳附 在地面附近高度相差几十米的两点间 近时的偏转角为17y1919年日全食在南 传播的光线也应产生引力红移只是这种引 半球发生，英国派出了由天文学家爱丁顿 力红移的变化更小，只有10_15的数量级，一 (ASEddington)领导的两支远征观测队分 般实验手段难以观测到1958年穆斯堡尔效 别在西非和巴西同时进行了测量测量得到 应的发现提供了精确完成地面上引力红移 的偏转角在15”。20”之间，与爱因斯坦 实验的可能性1959年庞德(RVPound)和 的预言一致实验结果的公布轰动了世界， 雷布卡(GRebka)把钴57发射的y射线从 被认为是对广义相对论的第二个重大实验226 m高的塔顶射向地面的接收器，运用穆一42一 万方数据2002年第2期物理通报 物理学史斯堡尔效应测量塔底处的频率改变量这实 产生可以检测到的引力波人们不得不把希 际是一个引力蓝移实验他们的实验相当成 望寄托到质量巨大的天体物理过程产生的 功，实际测量值与理论值的不确定度在5 引力波的探测上去之内1967年天文学家贝尔(sJ。Bell)和霍维5第四个重大验证实验雷达回波延 什(AHewish)用射电天文望远镜发现脉冲 迟 星。后来人们证明脉冲星就是中子星射电 在上面讨论的三大验证实验之外，夏皮天文望远镜接受到的脉冲信号是中子星旋 罗(IShapiro)于1964年提出用雷达回波延 转时磁极发出的电磁波1974年霍尔斯(R 迟实验检验广义相对论的建议广义相对论 AHulse)和泰勒(JHTaylor)发现一对脉认为，物质的存在和运动造成周围时空的弯冲双星(PSRl913+16)广义相对论认为脉曲光线在大质量物体附近的弯曲可以看作 冲双星旋转时辐射引力波脉冲双星 一种折射，相当于光速的变慢从地球上向(PSRl913+16)辐射引力波的功率并不小， 某一行星发射一束雷达波，雷达波到达行星有641酽w只是这对双星距地球太遥 表面后被反射回地球，就可以测出来回一次 远，到达地面的引力波能流密度只有 所需的时间将雷达波经由太阳附近传播的 10-24Wcm2，现在尚无法检测出如此弱的引 来回时闽与远离太阳附近传播的来回时间力波不过根据广义相对论，由于脉冲双星 相比较，就可以得到雷达回波延迟的时间 辐射引力波时必然伴随着能量损失，即会使 夏皮罗领导的小组先后对水星、金星、 双星系统的能量减少，周期变慢，称为引力 火星进行了雷达回波延迟实验，后期的实验辐射阻尼经过近20年的观测，发现这对脉 数据与广义相对论理论值的不确定度已在 冲双星的运动周期在稳定地减少，其周期减1左右20世纪80年代初，利用在火星表 缓的变化率与广义相对论的理论值相当符 面登陆的“海盗号”探测器反射雷达波，已使 合所以脉冲双星的观察被认为是引力渡存 雷达回波延迟实验测量值的不确定度减小 在的间接证明霍尔斯和泰勒因发现这对脉 到01，有力地支持了广义相对论理论这 冲双星而荣获1993年诺贝尔物理学奖 被认为是广义相对论的第四个重大验证实引力波的直接探测，是实验物理的重大 验 课题之一，将进一步检验广义相对论西方6引力波存在的间接证明脉冲双星 发达国家均投入大量人力物力进行研究，目观察前尚未取得令人满意的数据 广义相对论认为，物质以非对称的方式参考文献加速运动会产生引力波爱因斯坦已证明引 1KDanzlnann LISA and GroundBased Derectors forGravitational Waves：An Overview The Americ