4.4 广义相对论的验证实验

爱因斯坦 1905 年提出的狭义相对论在之后很长时间内，都没有找到精确的实验进行验证，所以“钟慢效应”和“尺缩效应”的时空现象很长时间也没有得到人们的认可。这次广义相对论“弯曲”的时空观更具颠覆性，更加让人难以想象，不过爱因斯坦这次不仅提出思想实验和理论方程，也提出了三个验证实验：光线在引力场的弯曲、水星近日点的进动和光谱线的引力红移。

根据广义相对论推导和预言，光线在经过引力场附近的时候会发生弯曲，尽管这种弯曲程度非常微小，但是当光线经过太阳这种引力场非常大的天体附近时所产生的弯曲效果就会比较明显，并且根据广义相对论可以计算出光线经过太阳的弯曲偏转角为 1.7 角秒。那怎样找到这样的光线呢，我们可以借助天空中的星光，有些恒星在天空中的位置相对地球是不动的，所以每年地球都会转动到同一相对位置处看到某颗恒星，而这颗恒星与其他恒星的距离是不变的，所以地球每次转动到这个位置时所看到的星空是一样的。由于地球是绕着太阳转动，所以每年地球会有两次与恒星保持同一相对位置的地方来看这颗恒星，这两次位置与太阳和恒星是在一条直线上，太阳位于两次位置的中间处（如下图 4-5 所示）。由于恒星与太阳系的距离非常遥远，远远超过了地球围绕太阳公转的直径距离，所以可以认为在这两个位置所看到的恒星角度及星空是完全相同的。

但是，虽然两个位置观看恒星的角度都一样，但二者的区别是中间隔着一个太阳，所以一个位置是需要经过太阳再看到恒星（图 4-5 中B位置处）。根据广义相对论计算，太阳所产生的引力效果会足以让恒星发射经过的光线产生 1.7 角秒的弯曲，所以当地球处于位置 B 的时候观察恒星，会和地球在位置 A 处观察恒星所看到这颗恒星的位置产生偏移（如下图 4-6 所示）。但是由于白天的时候天空太亮无法观察到星空，而夜间又看不到太阳的引力影响，爱因斯坦提出可以在发生日全食的时候进行观测，日全食时月球把太阳光挡住，这样就得到一个时间窗口可以观测到太阳后面的星星。发生日全食的时候对着太阳背后的天空区域进行观测拍照，然后半年之后地球转到太阳另外一侧的时候对着同样那片天空区域再进行观测拍照，通过对比这两次观测拍照的结果就可以得出星光偏移角度。

爱因斯坦在 1915 年广义相对论问世的时候就提出了这个星光偏移的实验思路，但他本人毕竟不是实验物理学家，更不是天文学家，星光偏移实验虽然思路简单，但毕竟也是个高精确度要求的实验，不是拿个望远镜看一看就可以实现的，所以爱因斯坦本人并没有去做这个实验。这个实验后来被一位英国天文学家完成了，他在 1919 年发生的一次日全食时按照星光偏移实验思路捕捉到 8 颗恒星的照片，然后与半年前所拍摄的同样方位的星空照片进行了长达近半年的数据分析和计算，结果在误差范围内与爱因斯坦理论计算结果完全吻合，确认了光线在太阳引力作用下发生了偏折，广义相对论得到了验证。

爱因斯坦提出的验证广义相对论的另外两个证据是水星近日点的进动和光谱线的引力红移。水星近日点的进动是指水星围绕太阳的椭圆形公转有个近日点，而这个近日点的位置由于其他行星的引力作用每次都会略有偏移，但根据万有引力定律计算出的结果与实际观测结果并不一致，而且其他行星的公转也发现了这种类似的进动不一致的问题。爱因斯坦通过广义相对论把行星的绕日运动看成是它在太阳引力场中的运动，由于太阳的质量造成周围空间发生弯曲而导致近日点进动产生剩余，而且根据广义相对论计算出的结果正好符合实际观测的进动角度，于是广义相对论得以验证。光谱线的引力红移是指根据广义相对论，在强引力场中时钟要走得慢些，所以爱因斯坦认为从巨大质量的恒星发射到地球上的光线，会由于恒星引力场钟慢效应而导致光波振动周期变慢（也就是光波频率变小），所以波长会向光谱更长的红端移动发生引力红移。引力红移的观点在 1925 年美国威尔逊山天文台观测到的天狼星伴星天狼 A 发出的谱线中得到了验证，于是广义相对论再次得以验证。

三个实验是根据广义相对论推导和预言提出的，并且都从不同角度实际验证了广义相对论的正确性，在这之后广义相对论理论开始得到了人们的广泛承认，广义相对论确定了属于自己的科学地位，人们也开始对时空的形状有了更深的思考。 zrIuBSg+TYhJfO1IfDFG3JbhhrkYqoNRyZLd0tDBP9UQgN2R5aIzi6IPJ3WMIBYs