广义相对论的可观测效应

广义相对论的可观测效应

1. 光的引力频移

设引力场中r1处有一静止光源，发光频率为（周期T1），光传到r2处静止接收器，接收频率为（周期T2）。由（1）可得相对频移在弱引力场，即时，上式近似为

若r2r1，即光由引力强处传向弱处，有，即，称之为引力红移；反之，若r2r1，则，，称为引力紫移（或蓝移）。

地球上观测太阳光谱线，将因太阳引力而发生红移。以kg，，代入前式，可计算得。

1959年庞德等人在哈佛大学首次在地面上直接验证了引力频移。利用在塔顶发射射线，在塔底接收。塔高H为。

理论计算，频移为

实验测量与理论值符合得相当好，1964年经改进后，二者相差仅为1%。

2. 光线的引力偏折

光线行经引力中心附近时将发生偏折(如图6)。引力双重作用：空间弯曲，测地线为曲线；光线偏离测地线。由广义相对论计算。恒星光线行经太阳边缘，受太阳引力产生的偏转角应为。1919年5月29日日全食时，两组英国科学家分别在巴西和非洲实地观测，测得的偏转结果分别为，，二组平均值与爱因斯坦的预言值相符，引起了举世轰动。

图6 光线的引力偏折图7 水星近日点的旋进

3. 行星（水星）近日点的旋进

按照牛顿引力理论，行星轨道为封闭椭圆，但天文观测发现，水星每绕日一周，其长轴略有转动，称为水星近日点的旋进，若考虑其他行星的影响，可解释旋进现象，但计算值与观测值之间存在牛顿理论无法解释的差值，称为反常旋进。应用广义相对论关于引力场中的时空弯曲，可以计算出行星近日点旋进的修正值，这正和观测的反常旋进值相符。对水星、金星的反常旋进，两种结果对比列表如下：

观测值理论值

百年百年

百年百年

理论与观测相符，表明广义相对论的惊人成功之处。

此外，还有雷达回波延迟效应。即由地球发射雷达脉冲，到达行星后再返回地球，测量雷达往返的时间。比较雷达波远离太阳和靠近太阳两种情况下，回波时间的差异。太阳引力将使回波时间加长，称为雷达回波延迟。例如地球与水星之间的雷达回波的最大时间差可达240ms。这类测量是目前对广义相对论中空间弯曲的最好检验。70年代末，测量值与理论值之差约为1%，到80年代，利用火星表面的“海盗着陆舱”宇宙飞船，已将回波延迟测量的不确定度从5%减小到0.1%，大大提高了检测精度。