三個(gè)實(shí)驗(yàn)

趙崢，1967年畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)物理系，1981年于北京師范大學(xué)天文系獲碩士學(xué)位，1987年于布魯塞爾自由大學(xué)獲博士學(xué)位。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長(zhǎng)、物理系主任.中國(guó)引力與相對(duì)論天體物理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)理事。現(xiàn)為北京師范大學(xué)物理系教授，理論物理博士生導(dǎo)師、教育學(xué)博士生導(dǎo)師。

愛(ài)因斯坦在發(fā)表廣義相對(duì)論時(shí)指出，有3個(gè)可以觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明廣義相對(duì)論正確。這3個(gè)實(shí)驗(yàn)是引力紅移、行星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)和光線偏折。

引力紅移

愛(ài)因斯坦指出，時(shí)空彎曲會(huì)使時(shí)間進(jìn)程變慢。時(shí)空彎曲得越厲害，時(shí)間進(jìn)程越慢。太陽(yáng)附近的時(shí)空比地球附近的時(shí)空彎曲度大，所以太陽(yáng)附近的時(shí)鐘會(huì)走得比地球上的鐘慢。不信的話，你可以在太陽(yáng)表面放一個(gè)鐘，然后用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，并和地球上的鐘進(jìn)行比較。當(dāng)然，這是開(kāi)玩笑的話。太陽(yáng)表面怎么放置時(shí)鐘？就是放置好了你也不敢用望遠(yuǎn)鏡看??！那里太亮了，眼睛根本受不了。愛(ài)因斯坦說(shuō)沒(méi)有關(guān)系，太陽(yáng)那里原來(lái)就放著鐘，這種鐘就是氫原子。

大家知道，每種原子都有特定的光譜，化學(xué)家們經(jīng)常通過(guò)光譜分析鑒定化學(xué)元素。每種原子的光譜都由確定的若干根光譜線組成，每根光譜線又都有確定的頻率。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為，每根光譜線都對(duì)應(yīng)著原子內(nèi)部特定的鐘，光譜線的頻率就是它對(duì)應(yīng)的原子鐘的頻率。時(shí)間進(jìn)程變慢，原子內(nèi)部的鐘會(huì)隨著變慢，這時(shí)對(duì)應(yīng)的光譜線的頻率就會(huì)減小，波長(zhǎng)就會(huì)增大，光譜線就會(huì)向光譜的紅端移動(dòng)，這就是光譜線的紅移。

愛(ài)因斯坦預(yù)言時(shí)空彎曲會(huì)造成時(shí)間進(jìn)程變慢，這樣產(chǎn)生的紅移稱為引力紅移。

太陽(yáng)表面存在大量氫原子，廣義相對(duì)論預(yù)言，由于那里的時(shí)間變慢，氫原子的光譜線將產(chǎn)生紅移?？梢杂^測(cè)太陽(yáng)表面的氫光譜，測(cè)出其紅移，并和地球?qū)嶒?yàn)室中的氫光譜進(jìn)行比較。比較的結(jié)果與廣義相對(duì)論的預(yù)言一致。

但要指出，按照牛頓理論，光子從太陽(yáng)表面飛向地球，需要克服太陽(yáng)引力場(chǎng)的勢(shì)能，光子的能量會(huì)減小，這也將導(dǎo)致光子頻率減小，光譜線也會(huì)發(fā)生紅移。用萬(wàn)有引力定律算出的紅移量與廣義相對(duì)論的預(yù)言值相差不大。目前的觀測(cè)精度尚不能測(cè)出二者的差異。

此外，太陽(yáng)表面存在被稱為太陽(yáng)風(fēng)的垂直升降氣流，其產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)包含藍(lán)移（上升氣流引起）和紅移（下降氣流引起）。而且，太陽(yáng)表面溫度很高（約6 000℃左右），氫原子熱運(yùn)動(dòng)劇烈，雜亂的熱運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，導(dǎo)致雜亂的紅移和藍(lán)移。這些多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的譜線移動(dòng)會(huì)疊加在譜線的引力紅移上，使光譜線變寬，紅移量不穩(wěn)定。這些都增加了觀測(cè)的困難。

所以說(shuō)，引力紅移是對(duì)廣義相對(duì)論的支持，但精度還有待提高。

行星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)

開(kāi)普勒三定律指出，行星繞日運(yùn)動(dòng)的軌道是封閉的橢圓。牛頓的萬(wàn)有引力定律支持開(kāi)普勒的結(jié)論，算出行星繞日運(yùn)動(dòng)的軌道確實(shí)是封閉的橢圓。但是天文觀測(cè)早就發(fā)現(xiàn)，行星軌道并不是封閉的橢圓。這個(gè)橢圓會(huì)不斷向前進(jìn)動(dòng)（圖1）。對(duì)軌道近日點(diǎn)的觀測(cè)能夠精確確定軌道的進(jìn)動(dòng)值。

離太陽(yáng)越近的行星，進(jìn)動(dòng)效應(yīng)越大，所以天文學(xué)家經(jīng)常以離太陽(yáng)最近的行星——水星的軌道為例，研究軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)值為每百年5 600弧秒，其中5：557.62弧秒的進(jìn)動(dòng)可以用太陽(yáng)自轉(zhuǎn)、其他行星的影響等各種天文因素的影響加以解釋，而其余的43弧秒的進(jìn)動(dòng)得不到說(shuō)明。這是廣義相對(duì)論誕生之前就知道的事情。

19世紀(jì)的天文學(xué)家勒維葉，在與亞當(dāng)斯分別成功預(yù)言海王星之后，又對(duì)水星軌道的這一異常進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生了興趣。勒維葉猜想是否存在一顆未知的、離太陽(yáng)比水星還近的行星，那顆行星的存在和運(yùn)動(dòng)對(duì)水星軌道有影響，造成了這43弧秒的額外進(jìn)動(dòng)。他假定這顆未知行星的存在，反過(guò)來(lái)用水星軌道的進(jìn)動(dòng)推出了這顆星在天空的位置。他又去觀測(cè)，有一次看見(jiàn)太陽(yáng)表面有一個(gè)移動(dòng)的黑點(diǎn)，他以為發(fā)現(xiàn)了這顆行星。由于這顆“行星”離太陽(yáng)非常近，他稱其為火神星。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，那個(gè)黑點(diǎn)其實(shí)是個(gè)太陽(yáng)黑子，火神星純屬子虛烏有。

到了愛(ài)因斯坦時(shí)代，水星軌道進(jìn)動(dòng)的這點(diǎn)偏差依然沒(méi)有得到解釋。愛(ài)因斯坦知道這一情況，非常希望自己的新理論能解決這個(gè)疑難，所以他在創(chuàng)建廣義相對(duì)論的過(guò)程中，一直注意把新理論與這個(gè)疑難加以聯(lián)系。這個(gè)疑難也成為了把愛(ài)因斯坦引向正確場(chǎng)方程的一條線索。

找到場(chǎng)方程后，愛(ài)因斯坦驚喜地發(fā)現(xiàn)，按照廣義相對(duì)論，行星繞日運(yùn)動(dòng)的軌道原本就不是封閉的橢圓，而是不斷在進(jìn)動(dòng)，水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)值恰為每百年43弧秒。他簡(jiǎn)直高興極了，忍不住寫(xiě)信給希爾伯特、洛倫茲等朋友，信中說(shuō)：“我的新理論算出了水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)值，我簡(jiǎn)直高興極了，你們知道我有多高興嗎？我一連幾個(gè)星期都高興得不知怎樣才好?！?/p>

水星軌道近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的觀測(cè)值，與理論計(jì)算值符合得非常好，精確度極高，因此這一實(shí)驗(yàn)是對(duì)廣義相對(duì)論的強(qiáng)有力支持，牛頓理論無(wú)論如何也解釋不了這一進(jìn)動(dòng)值。

光線偏折

廣義相對(duì)論預(yù)言，由于太陽(yáng)造成周圍時(shí)空的彎曲，遙遠(yuǎn)恒星的光在通過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏折（圖2）。

然而，按照牛頓力學(xué)，遠(yuǎn)方恒星射來(lái)的光子在路過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，也會(huì)在太陽(yáng)引力下發(fā)生偏折。不過(guò)，用牛頓理論算出的偏轉(zhuǎn)角只有廣義相對(duì)論算出的一半。所以，可以通過(guò)對(duì)光線偏折的觀測(cè)，檢驗(yàn)廣義相對(duì)論是否正確，并對(duì)牛頓理論和廣義相對(duì)論進(jìn)行比較。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)要進(jìn)行兩次觀測(cè)。一次是拍攝太陽(yáng)背后的星空，另一次是當(dāng)太陽(yáng)移開(kāi)后拍攝同一天區(qū)的星空。然后將兩次拍攝的結(jié)果加以比較，比較膠片中恒星圖像位置的變化，可以算出偏折角。

太陽(yáng)那么亮，它背后的星空怎么拍攝呢？天文學(xué)家建議在日全食的時(shí)候拍。日全食時(shí)月亮把太陽(yáng)完全擋住，天空猶如黑夜，群星燦爛明亮，正好可以拍攝。那么，沒(méi)有太陽(yáng)的同一星空怎么拍呢？大家知道，地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，半年后將轉(zhuǎn)到太陽(yáng)的另一側(cè)。所以，白天太陽(yáng)背后的星空，幾個(gè)月后將在夜間出現(xiàn)，拍攝完全沒(méi)有問(wèn)題。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論于1915年底發(fā)表，當(dāng)時(shí)第一次世界大戰(zhàn)正在進(jìn)行。1918年“一戰(zhàn)”結(jié)束，敵對(duì)雙方死了大量的人，英德兩國(guó)人民相互怨恨的情緒很強(qiáng)烈。這時(shí)，英國(guó)政府為了緩和英德兩國(guó)的敵對(duì)情緒，愿意拿出一筆錢(qián)資助一些有利于英德兩國(guó)人民友誼的項(xiàng)目。英國(guó)天體物理學(xué)家愛(ài)丁頓教授出來(lái)申請(qǐng)這筆錢(qián)，他說(shuō)，廣義相對(duì)論是德國(guó)的愛(ài)因斯坦提出來(lái)的，現(xiàn)在由我們英國(guó)人去做光線偏折實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)廣義相對(duì)論，這不就能增進(jìn)英德人民之間的友誼了嗎！而且，1919年就有日全食，這一觀測(cè)實(shí)驗(yàn)馬上就可以做。在西非的普林西比和巴西都能看到日全食。這樣，愛(ài)丁頓率領(lǐng)一個(gè)觀測(cè)隊(duì)去了普林西比，他的助手戴森帶領(lǐng)另一個(gè)隊(duì)去了巴西。

日全食那天，普林西比正好下雨，根本看不見(jiàn)太陽(yáng)。愛(ài)丁頓急得不得了。幸虧在日全食結(jié)束前來(lái)了一陣風(fēng)，刮開(kāi)了烏云，露出了群星勉強(qiáng)可見(jiàn)的星空。愛(ài)丁頓抓緊時(shí)間，在6～8分鐘內(nèi)拍攝了15張照片。巴西那邊天空晴朗，艷陽(yáng)高照，戴森他們順利地拍下了日全食時(shí)的星空?？上茨z片時(shí)發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)光把底片盒曬得太燙了，膠片變了形，高興的情緒一下子跌落下來(lái)。不過(guò)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)修正，他們最終還是獲得了有用的數(shù)據(jù)。

用廣義相對(duì)論算出的光線偏折角為1.75弧秒，用牛頓理論算出的為0.875弧秒。愛(ài)丁頓小組測(cè)得的偏轉(zhuǎn)角為1.61弧秒，戴森小組測(cè)得的為1.98弧秒，都接近廣義相對(duì)論的預(yù)言值，遠(yuǎn)離牛頓理論的預(yù)言值。所以，愛(ài)丁頓宣布，他們的觀測(cè)支持了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。

這一消息傳到德國(guó)時(shí)，有人問(wèn)愛(ài)因斯坦有什么感想，他叼著煙斗說(shuō)：“我從來(lái)沒(méi)有想過(guò)會(huì)是別的結(jié)果?！?/p>