验证广义相对论的实验，本文主要内容关键词为：广义相对论论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 爱因斯坦指出三大验证实验
1905年，当爱因斯坦发表著名的历史文献《论动体的电动力学》，建立狭义相对论的时候，他的理论并不被人们接受，遭到很多人（包括若干有声望的科学家）的怀疑甚至反对，因为狭义相对论崭新的时空观与经典的物理观念大相径庭、不可思议，因为缺乏实验的验证，也因为当时的爱因斯坦只是一个20多岁的专利局办事员。
爱因斯坦没有因此却步，他继续考虑将相对论推广到非惯性系。从1907年到1916年，爱因斯坦连续发表了多篇文章，不断完善广义相对论的理论，并引入黎曼的弯曲空间。在1916年发表的《广义相对论的基础》中爱因斯坦指出：在太阳系中，牛顿引力理论可以看作相对论引力理论的第一级近似。爱因斯坦同时指出，通过测量行星轨道近日点的进动、引力场中光线的弯曲、星系光谱线的引力红移等三项实验可以验证广义相对论。
2 行星轨道近日点的进动
根据牛顿运动定律和平方反比万有引力定律，太阳系中行星的运动轨道应该为一个严格的椭圆，是一条闭合的曲线，而太阳位于椭圆的一个焦点上。然而从1859年起，天文学家就发现，行星的运动轨迹并不是严格闭合的椭圆。行星每绕太阳公转一圈，其椭圆轨道的长轴就略有转动，通常称为行星近日（或远日）点的进动，如图1所示。 特别是离太阳最近的水星，进动观察值为每一百年1°33′20.73″。一般认为水星除了主要受到太阳的引力外，还受到太阳系中其他各个行星相对而言小得多的引力。而且人们是从地球也在自转和公转的非理想惯性系中观察，所以有缓慢的进动。用牛顿引力理论计算，考虑到上述影响后的进动值仍比实际观测值小43.11′。虽然数值很小， 却已超出了观测精度允许的误差范围。而且太阳系的其他行星也存在着类似的数值很小的近日点多余进动。
为了解释这种差异，曾经成功地预言海王星存在的天文学家勒维耶（Le Verrier），预言在太阳附近还有一颗未被发现的小行星，即在水星轨道之内还有一颗“水内行星”。这颗水内行星对水星的引力作用导致多余进动值的出现。但是对预言的天空区域进行了多年的仔细搜索，始终没能找到这颗假想的水内行星。水内行星成了牛顿引力理论多年未解决的问题。而根据广义相对论，天体的质量越大，其附近的时空就越弯曲。行星在弯曲的时空中沿短程线运动。水星是最靠近太阳的行星，这里的引力场比太阳系中其他行星所处位置的引力场强得多，时空也就弯曲得厉害。另外水星运动轨道的偏心率较大，所以水星近日点多余进动值比其他行星值要大。爱因斯坦在1915年依广义相对论计算出的水星近日点多余进动值与实际观测值相当吻合。因此水星轨道近日点的进动被看作建立广义相对论初期的第一个重大实验验证。后来测到的地球、金星等行星的近日点进动值也与广义相对论的计算值吻合得相当好。
3 光线在引力场中的偏转
根据广义相对论，光线在引力场中也会发生弯曲偏转。不过因为这种偏转很小，在地球上不太容易观察到。爱因斯坦在1911年指出，如利用日全食的特殊机会，测量日全食时看起来位于太阳附近星球的位置，再与平时这些星球的位置相比较，应观察到这种偏转。1916年，他又计算出光线经由太阳附近时的偏转角为1.75″。1919年日全食在南半球发生，英国派出了由天文学家爱丁顿（A.S.Eddington ）领导的两支远征观测队分别在西非和巴西同时进行了测量。测量得到的偏转角在1.5″～2.0″之间，与爱因斯坦的预言一致。实验结果的公布轰动了世界，被认为是对广义相对论的第二个重大实验验证。
在以后的日全食过程中进行的类似观测也都支持广义相对论的结论。日全食的机会毕竟比较少，科学家们希望在其他时间也有可能进行这样的实验。20世纪60年代以后发展起来的射电天文学，使人们可以利用射电天文望远镜在平时对被太阳遮掩的射电源进行测量，而且分辨率有较大提高。 1975 年观测到无线电波经由太阳表面附近时的偏转角是1.761″±0.16″，与广义相对论理论预言值1.75″的不确定度已小于百分之一。
4 光谱线的引力红移
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（例如太阳附近）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2×10[－6]。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10[－15]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γ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。
5 第四个重大验证实验——雷达回波延迟
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。
6 引力波存在的间接证明——脉冲双星观察
广义相对论认为，物质以非对称的方式加速运动会产生引力波。爱因斯坦已证明引力波和电磁波一样以光速c传播。 牛顿引力理论中没有引力波。如果能观测到引力波的存在，将是广义相对论的重大胜利。但是由于引力作用比电磁作用弱很多数量级，用现有的材料和实验手段，在地球上尚无法人工产生可以检测到的引力波。人们不得不把希望寄托到质量巨大的天体物理过程产生的引力波的探测上去。
1967年天文学家贝尔（S.J.Bell）和霍维什（A.Hewish）用射电天文望远镜发现脉冲星。后来人们证明脉冲星就是中子星。射电天文望远镜接受到的脉冲信号是中子星旋转时磁极发出的电磁波。1974年霍尔斯（R.A.Hulse）和泰勒（J.H.Taylor）发现一对脉冲双星（PSR1913＋16）。广义相对论认为，脉冲双星旋转时辐射引力波。脉冲双星（PSR1913＋16）辐射引力波的功率并不小，有6.4×10[24]W。只是这对双星距地球太遥远，到达地面的引力波能流密度只有10[－24]W/cm[2]，现在尚无法检测出如此弱的引力波。不过根据广义相对论，由于脉冲双星辐射引力波时必然伴随着能量损失，即会使双星系统的能量减少，周期变慢，称为引力辐射阻尼。经过近20年的观测，发现这对脉冲双星的运动周期在稳定地减少，其周期减缓的变化率与广义相对论的理论值相当符合。所以脉冲双星的观察被认为是引力波存在的间接证明。霍尔斯和泰勒因发现这对脉冲双星而荣获1993年诺贝尔物理学奖。
引力波的直接探测，是实验物理的重大课题之一，将进一步检验广义相对论。西方发达国家均投入大量人力物力进行研究，目前尚未取得令人满意的数据。
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