物理学史6.5 广义相对论的实验检验

6.5广义相对论的实验检验
在广义相对论建立之初，爱因斯坦提出了三项实验检验，一是水星近日点的进动，二是光线在引力场中的弯曲，三是光谱线的引力红移。

其中只有水星近日点进动是已经确认的事实，其余两项只是后来才陆续得到证实。

60年代以后，又有人提出观测雷达回波延迟、引力波等方案。

6.5.1水星近日点进动
1859年，天文学家勒维利埃（Le Verrier）发现水星近日点进动的观测值，比根据牛顿定律计算的理论值每百年快38角秒。

他猜想可能在水星以内还有一颗小行星，这颗小行星对水星的引力导致两者的偏差。

可是经过多年的搜索，始终没有找到这颗小行星。

1882年，纽康姆（S.Newcomb）
经过重新计算，得出水星近日点的多余进动值为每百年43角秒。

他提出，有可能是水星因发出黄道光的弥漫物质使水星的运动受到阻尼。

但这又不能解释为什么其他几颗行星也有类似的多余进动。

纽康姆于是怀疑引力是否服从平方反比定律。

后来还有人用电磁理论来解释水星近日点进动的反常现象，都未获成功。

1915年，爱因斯坦根据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，使行星每公转一周近日点进动为：
ε=24π2a2/T2c2（1-e2）
其中a为行星的长半轴，c为光速，以cm/s表示，e为偏心率，T为公转周期。

对于水星，计算出ε=43″/百年，正好与纽康姆的结果相符，一举解决了牛顿引力理论多年未解决的悬案。

这个结果当时成了广义相对论最有力的一个证据。

水星是最接近太阳的内行星。

离中心天体越近，引力场越强，时空弯曲的曲率就越大。

再加上水星运动轨道的偏心率较大，所以进动的修正值也比其他行星为大。

后来测到的金星，地球和小行星伊卡鲁斯的多余进动跟理论计算也都基本相符。

6.5.2光线在引力场中的弯曲
1911年爱因斯坦在《引力对光传播的影响》一文中讨论了光线经过太阳附近时由于太阳引力的作用会产生弯曲。

他推算出偏角为0.83″，并且指出这一现象可以在日全食进行观测。

1914年德国天文学家弗劳德（E.F.Freundlich）领队去克里木半岛准备对当年八月间的日全食进行观测，正遇上第一次世界大战爆发，观测未能进行。

幸亏这样，因为爱因斯坦当时只考虑到等价原理，计算结果小了一半。

1916年爱因斯坦根据完整的广义相对论对光线在引力场中的弯曲重新作了计算。

他不仅考虑到太阳引力的作用，还考虑到太阳质量导致空间几何形变，光线的偏角为：α=1″.75R0/r，其中R0为太阳半径，r为光线到太阳中心的距离。

1919年日全食期间，英国皇家学会和英国皇家天文学会派出了由爱丁顿（A.S.FEddington）等人率领的两支观测队分赴西非几内亚湾的普林西比岛（Principe）和巴西的索布腊儿尔（Sobral）两地观测。

经过比较，两地的观测结果分别为1″.61±0″.30和1″.98±0″.12。

把当时测到的偏角数据跟爱因斯坦的理论预期比较，基本相符。

这种观测精度太低，而且还会受到其他因素的干扰。

人们一直在找日全食以外的可能。

20世纪60年代发展起来的射电天文学带来了希望。

用射电望远镜发现了类星射电源。

1974年和1975年对类星体观测的结果，理论和观测值的偏差不超过百分之一。

6.5.3光谱线的引力红移
广义相对论指出，在强引力场中时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光线，会向光谱的红端移动。

爱因斯坦1911年在《引力对光传播的影响》一文中就讨论了这个问题。

他以Φ表示太阳表面与地球之间的引力势差，ν0、ν分别表示光线在太阳表面和到达地球时的频率，得：
（ν0 -ν）/ν=-Φ/c2=2×10－6.
爱因斯坦指出，这一结果与法布里（C.Fabry）等人的观测相符，而法布里当时原来还以为是其它原因的影响。

1925年，美国威尔逊山天文台的亚当斯（W.S.Adams）观测了天狼星的伴星天狼A。

这颗伴星是所谓的白矮星，其密度比铂大二千倍。

观测它发出的谱线，得到的频移与广义相对论的预期基本相符。

1958年，穆斯堡尔效应得到发现。

用这个效应可以测到分辨率极高的r射线共振吸收。

1959年，庞德（R.V.Pound）和雷布卡（G.Rebka）首先提出了运用穆斯堡尔效应检测引力频移的方案。

接着，他们成功地进行了实验，得到的结果与理论值相差约百分之五。

用原子钟测引力频移也能得到很好的结果。

1971年，海菲勒（J.C.Hafele）和凯丁（R.E.Keating）用几台铯原子钟比较不同高度的计时率，其中有一台置于地面作为参考钟，另外几台由民航机携带登空，在1万米高空沿赤道环绕地球飞行。

实验结果与理论预期值在10％内相符。

1980年魏索特（R.F.C.Vessot）等人用氢原子钟做实验。

他们把氢原子钟用火箭发射至一万公里太空，得到的结果与理论值相差只有±7×10-5。

6.5.4雷达回波延迟
光线经过大质量物体附近的弯曲现象可以看成是一种折射，相当于光速减慢，因此从空间某一点发出的信号，如果途经太阳附近，到达地球的时间将有所延迟。

1964年，夏皮罗（I.I.Shapiro）首先提出这个建议。

他的小组先后对水星、金星与火星进行了雷达实验，证明雷达回波确有延迟现象。

近年来开始有人用人造天体作为反射靶，实验精度有所改善。

这类实验所得结果与广义相对论理论值比较，相差大约1％。

用天文学观测检验广义相对论的事例还有许多。

例如：引力波的观测和双星观测，有关宇宙膨胀的哈勃定律，黑洞的发现，中子星的发现，微波背景辐射的发现等等。

通过各种实验检验，广义相对论越来越令人信服。

然而，有一点应该特别强调：我们可以用一个实验否定某个理论，却不能用有限数量的实验最终证明一个理论；一个精确度并不很高的实验也许就可以推翻某个理论，却无法用精确度很高的一系列实验最终肯定一个理论。

对于广义相对论的是否正确，人们必须采取非常谨慎的态度，严格而小心地作出合理的结论。