物理学史6.5 广义相对论的实验检验.doc

6.56.5 广义相对论的实验检验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6.5.16.5.1 水星近日点进动水星近日点进动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6.5.26.5.2 光线在引力场中的弯曲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一6.5.36.5.3 光谱线的引力红移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±7×10-56.5.46.5.4 雷达回波延迟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。