广义相对论的七大预言

广义相对论的七大预言 导读都说引力波是相对论预言中的最后一块拼图。那么爱因斯坦还有哪些预言呢？本期我们就来梳理一下这方面的内容。需要说明的是，广义相对论的核心是解释了时空弯曲，因此所有的预言都与此有关，但为了更说明问题，我们把有些类似的现象拆分成几个。其中有些是爱因斯坦亲口说的，有些是相对论的推论。 1905年，爱因斯坦横空出世！还是瑞士伯尔尼专利局小职员的他在这一年里连续发表了六篇论文，开启了现代物理学的新篇章，创造了神乎其神的“奇迹年”。然而这只是个开头。 爱因斯坦并不满足于解决了惯性系的问题，他志存高远，要把相对性原理拓展到更普适的非惯性系中，彻底颠覆人们的“宇宙观”。1907年，爱因斯坦的长篇文章关于相对性原理和由此得出的结论，第一次抛出了“等效原理”，广义相对论的画卷徐徐展开。然而，这项工作十分艰巨，直到1915年11月。爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，提出了天书一般的引力场方程，至此，困扰多年的问题基本都解决了，广义相对论诞生了。1916年，爱因斯坦完成了长篇论文广义相对论的基础，文中，爱因斯坦正式将此前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将“在一切惯性系中（静止状态和匀速直线运动状态）物理规律同样成立”的原理称为狭义相对性原理，继而阐述了“通吃”的广义相对性原理：物理规律在无论哪种运动方式的参照系都成立（包括静止、匀速直线运动、加速运动、圆周运动等惯性系和非惯性系）。 爱因斯坦的广义相对论认为，只要有非零质量的物质存在，空间和时间就会发生弯曲，形成一个向外无限延伸的“场”，物体包括光就在这弯曲的时空中沿短程线运动，其效果表现为引力。所以人们把相对论描述的弯曲的时空称为引力场，其实在广义相对论看来，“引力”这个东西是不存在的，它只是一种效果力，与所谓离心力类似。如果说狭义相对论颠覆了牛顿的绝对时空观，那么广义相对论几乎把万有引力给一脚踹下去了。倒不是说爱因斯坦否定了牛顿，而是完成了经典物理的一次华丽丽的升级，只是如此彻底以至于经典物理变得面目全非了。 广义相对论提出后毫无悬念地遇到了推广的困难，因为对于我们这种生活在低速运动和弱引力场的地球人来说，它太难懂了，太离奇了。但是逐渐地，人们在宇宙这个广袤的实验室中寻找到了答案，发现了相对论实在是太神奇、太精彩、太伟大了。1光线偏折几乎所有人在中学里都学过光是直线传播，但爱因斯坦告诉你这是不对的。光只不过是沿着时空传播，然而只要有质量，就会有时空弯曲，光线就不是直的而是弯的。质量越大，弯曲越大，光线的偏转角度越大。太阳附近存在时空弯曲，背景恒星的光传递到地球的途中如果途径太阳附近就会发生偏转。爱因斯坦预测光线偏转角度是1.75，而牛顿万有引力计算的偏转角度为0.87。要拍摄到太阳附近的恒星，必须等待日全食的时候才可以。机会终于来了，1919年5月29日有一次条件极好的日全食，英国爱丁顿领导的考察队分赴非洲几内亚湾的普林西比和南美洲巴西的索布拉进行观测，结果两个地方三套设备观测到的结果分别是1.610.30、1.980.12和1.550.34，与广义相对论的预测完全吻合，爱因斯坦因此名声大噪。这是对广义相对论的最早证实。70多年以后“哈勃”望远镜升空，拍摄到许多被称为“引力透镜”的现象，现如今也几乎是路人皆知了。2水星近日点进动一直以来，人们观察到水星的轨道总是在发生漂移，其近日点在沿着轨道发生5600.73/百年是“进动”现象。而根据牛顿万有引力计算，这个值为5557.62 /百年，相差43.11/百年。虽然这是一个极小的误差，但是天文是严谨的，明明确实存在的误差不能视而不见。很多科学家纷纷猜测在水星轨道内侧更靠近太阳的地方还存在着一颗行星影响着水星轨道，甚至已经有人把它起名为“火神星”（N年之后居然还有中国学者管这个不存在的行星叫“祝融星”）。不过始终未能找到这颗行星。1916年，爱因斯坦在论文中宣称用广义相对论计算得到这个偏差为42.98/百年，几乎完美地解释了水星近日点进动现象。爱因斯坦本人说，当他计算出这个结果时，简直兴奋地睡不着觉，这是他本人最为得意的成果。3引力钟慢 同样还是时空弯曲的结果。前文讲到的都是空间上的影响，不论光还是水星都是在太阳附近弯曲的时空中运动。既然被弯曲的是时空，自然要讲时间的变化。广义相对论中具有基石意义的等效原理认为：无限小的体积中均匀的引力场等同于加速运动的参照系。而在引力场中引力势较低的位置，也就是过去我们所学的离天体中心越近，引力越大，那么时间进程越慢，物体的尺度也越小。讲通俗一点，拿地球举例，站在地面上的人相比于国际空间站的宇航员感受到的引力更大，引力势更低（这是比较容易理解的），那么地面上的人所经历的时间相比于宇航员走地更慢，长此以往将比他们更年轻！这项验证实验很早就做过。1971年做过一次非常精确的测量，哈菲尔（JCHa1ele）和基丁（REKeating）把4台铯原子钟分别放在民航客机上，在1万米高空沿赤道环行一周。一架飞机自西向东飞，一架飞机自东向西飞，然后与地面事先校准过的原子钟做比较。同时考虑狭义相对论效应和广义相对论效应，东向西的理论值是飞机上的钟比地面快27521纳秒（10-9s），实验测量结果为快2737纳秒，西向东的理论值是飞机上的钟比地面慢4023纳秒，实验测量结果为慢5910纳秒。其中广义相对论效应（即引力效应）理论为东向西快17918纳秒，西向东快14414纳秒，都是飞行时钟快于地面时钟；但需要注意的是，由于飞机向东航行是与地球自转方向相同，所以相对地面静止的钟速度更快，导致狭义相对论效应（即运动学效应）更为显著，才使得总效应为飞行时钟慢于地面时钟。 此外，1964年夏皮罗提出一项验证实验，利用雷达发射一束电磁波脉冲，经其他行星反射回地球再被接收。当来回的路径远离太阳，太阳的影响可忽略不计；当来回路径经过太阳近旁，太阳引力场造成传播时间加长，此称为雷达回波延迟或叫“夏皮罗时延效应”。天文学家后来通过金星做了雷达反射完全符合相对论的描述。2003年天文学家利用卡西尼号土星探测器，重复了这项实验，测量精度在0.002%范围内观测与理论一致，这是迄今为止精度最高的广义相对论实验验证。（飞行原子钟度数-地面原子钟度数） 单位：10-9s向东飞行向西飞行