广义相对论的验证

广义相对论的验证

第一个水星近日点的运动试验

爱因斯坦的预测证明，在弯曲的时空中，光线必然沿着一个弯曲的轨迹行进，在加速参照系中，光的运行轨迹必定是曲线。因此，根据相对性

原理，光在任何时空中的运动轨迹也一定是弯曲的。爱因斯坦为了检验这

一假设，选择了太阳系的太阳引力场来进行计算，计算结果表面当遥远的

星光掠过太阳表面时，将会发生一点七秒的偏转。这一结论将可以通过全

日食时进行观测检验。

二战结束的1919年，在英国天文学家爱丁顿的支持与鼓励下，英国科

学界为了证实爱因斯坦的结论，派出了两支远征队分赴两地观察日全食，

经过认真的观测和研究得出最后的结论，星光的确在太阳附近发生了一点

七秒的偏转，英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了这一观测报告，爱

因斯坦根据光线受引力场折射的计算结果与现实如此之吻合。

第二个是光线在引力场的偏移试验

在一个足够大的引力场的作用下，空间和时间将发生“弯曲”。这一理论显然完全不同于人们对空间和时间的经验认识，也颠覆了以牛顿经典物理学为基础的空间、时间理论。爱因斯坦以惊人的天才提出了这一理论，并已经对其进行了近乎完美的数学论证。

当时担任剑桥大学天文台台长的爱丁顿组织了两支观测队，一支由当时的格林尼治天文台台长弗兰克·华生·戴森率领，前往巴西的索布拉尔；另一支则由爱丁顿亲自带队，前往非洲西部的普林西比岛，当时这是观测日食效果最好的两个地点。Robin Carchpole博士说，爱丁顿在某种意义上说是这两支队伍共同的“智力领袖”。两支队伍采用了不同的观测方法。格林尼治天文台的队伍在观测完日食时的恒星位置之后，于6个月后返回同一地点，此时太阳已经离开原来天区，这些恒星能够在夜间观察到，并且完全不再受太阳引力场的影响。他们将6个月后的恒星位置与日食时的恒星位置进行比较，以判断太阳对光线的影响。爱丁顿则采取另一种方法，请身在英国的研究人员在夜间观察金牛座的这批恒星（由于身处地球不同位置，普林西比只能在白天看到这些星星，英国却可以在夜里看到），将所得的恒星位置与他观察到的进行比较。由于两种方法的不同，在弗兰克·华生·戴森还在准备进行第二次对比观测的时候，爱丁顿已经于1919年6月非正式地宣布了他的观测结果。

第三个是光谱线的红向移动试验

广义相对论认为，光线在引力场中传播时，它的频率会发生变化．当光线从引力场强的地方则如太阳附近）传播到引力场弱的地方（例如地球附近）时，其频率会略有降低，波长稍增，即发生引力红移．当光线反向传播时，频率增加，波长变短，即发生引力蓝移．爱因斯坦在1911年计算出，从太阳射到地球的光线的相对引力红移变化是．这个数值很小，测量起来相当困难．

白矮星的质量大，半径小，其发出光的引力红移效应较显著．1925年天文学家亚当斯（W．S．Adams）观测了一颗白矮星天狼A，测到的引力红移与广义相对论的理论基本相符．20世纪60~70年代测得太阳光谱线的引力红移值与理论值的不确定度已小于5%～7%．

在地面附近高度相差几十米的两点间传播的光线也应产生引力红移．只是这种引力红移的变化更小，只有的数量级，一般实验手段难以观测到．1958年穆斯堡尔效应的发现提供了精确完成地面上引力红移实验的可能性．1959年庞德（R．V．Pound）和雷布卡（C．Rebka）把钴57发射的射线从22.6m高的塔顶射向地面的接收器，运用穆斯堡尔效应测量塔底处的频率改变量．这实际是一个引力蓝移实验．他们的实验相当成功，实际测量值与理论值的不确定度

在5％之内．

第四个雷达回波延迟实验

在上面讨论的三大验证实验之外，夏皮罗（I．Shapiro）于1964年提出用雷达回波延迟实验检验广义相对论的建议．广义相对论认为，物质的存在和运动造成周围时空的弯曲，光线在大质量物体附近的弯曲可以看作一种折射，相当于光速的变慢．从地球上向某一行星发射一束雷达波，雷达波到达行星表面后被反射回地球，就可以测出来回一次所需的时间．将雷达波经由太阳附近传播的来回时间与远离太阳附近传播的来回时间相比较，就可以得到雷达回波延迟的时间．夏皮罗领导的小组先后对水星、金星、火星进行了雷达回波延迟实验，后期的实验数据与广义相对论理论值的不确定度已在1％左右．20世纪80年代初，利用在火星表面登陆的“海盗号”探测器反射雷达波，已使雷达回波延迟实验测量值的不确定度减小到0.1％，有力地支持了广义相对论理论．这被认为是广义相对论的第四个重大验证实验．