愛(ài)因斯坦7個(gè)預(yù)言

1光線偏折

幾乎所有人在中學(xué)里都學(xué)過(guò)光是直線傳播，但愛(ài)因斯坦告訴你這是不對(duì)的。光只不過(guò)是沿著時(shí)空傳播，然而只要有質(zhì)量，就會(huì)有時(shí)空彎曲，光線就不是直的而是彎的。質(zhì)量越大，彎曲越大，光線的偏轉(zhuǎn)角度越大。太陽(yáng)附近存在時(shí)空彎曲，背景恒星的光傳遞到地球的途中如果途徑太陽(yáng)附近就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)光線偏轉(zhuǎn)角度是1.75″，而牛頓萬(wàn)有引力計(jì)算的偏轉(zhuǎn)角度為0.87″。要拍攝到太陽(yáng)附近的恒星，必須等待日全食的時(shí)候才可以。機(jī)會(huì)終于來(lái)了，1919年5月29日有一次條件極好的日全食，英國(guó)愛(ài)丁頓領(lǐng)導(dǎo)的考察隊(duì)分赴非洲幾內(nèi)亞灣的普林西比和南美洲巴西的索布拉進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果兩個(gè)地方三套設(shè)備觀測(cè)到的結(jié)果分別是1.61″±0.30″、1.98″±0.12″和1.55″±0.34″，與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)完全吻合，愛(ài)因斯坦因此名聲大噪。這是對(duì)廣義相對(duì)論的最早證實(shí)。70多年以后“哈勃”望遠(yuǎn)鏡升空，拍攝到許多被稱為“引力透鏡”的現(xiàn)象，現(xiàn)如今也幾乎是路人皆知了。

2水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)

一直以來(lái)，人們觀察到水星的軌道總是在發(fā)生漂移，其近日點(diǎn)在沿著軌道發(fā)生5600.73″/百年是“進(jìn)動(dòng)”現(xiàn)象。而根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力計(jì)算，這個(gè)值為5557.62 ″/百年，相差43.11″/百年。雖然這是一個(gè)極小的誤差，但是天文是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模髅鞔_實(shí)存在的誤差不能視而不見(jiàn)。很多科學(xué)家紛紛猜測(cè)在水星軌道內(nèi)側(cè)更靠近太陽(yáng)的地方還存在著一顆行星影響著水星軌道，甚至已經(jīng)有人把它起名為“火神星”（N年之后居然還有中國(guó)學(xué)者管這個(gè)不存在的行星叫“祝融星”）。不過(guò)始終未能找到這顆行星。1916年，愛(ài)因斯坦在論文中宣稱用廣義相對(duì)論計(jì)算得到這個(gè)偏差為42.98″/百年，幾乎完美地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦本人說(shuō)，當(dāng)他計(jì)算出這個(gè)結(jié)果時(shí)，簡(jiǎn)直興奮地睡不著覺(jué)，這是他本人最為得意的成果。

3引力鐘慢

同樣還是時(shí)空彎曲的結(jié)果。前文講到的都是空間上的影響，不論光還是水星都是在太陽(yáng)附近彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)。既然被彎曲的是時(shí)空，自然要講時(shí)間的變化。廣義相對(duì)論中具有基石意義的等效原理認(rèn)為：無(wú)限小的體積中均勻的引力場(chǎng)等同于加速運(yùn)動(dòng)的參照系。而在引力場(chǎng)中引力勢(shì)較低的位置，也就是過(guò)去我們所學(xué)的離天體中心越近，引力越大，那么時(shí)間進(jìn)程越慢，物體的尺度也越小。講通俗一點(diǎn)，拿地球舉例，站在地面上的人相比于國(guó)際空間站的宇航員感受到的引力更大，引力勢(shì)更低（這是比較容易理解的），那么地面上的人所經(jīng)歷的時(shí)間相比于宇航員走地更慢，長(zhǎng)此以往將比他們更年輕！這項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)很早就做過(guò)。1971年做過(guò)一次非常精確的測(cè)量，哈菲爾（J．C．Ha1ele）和基丁（R．E．Keating）把4臺(tái)銫原子鐘分別放在民航客機(jī)上，在1萬(wàn)米高空沿赤道環(huán)行一周。一架飛機(jī)自西向東飛，一架飛機(jī)自東向西飛，然后與地面事先校準(zhǔn)過(guò)的原子鐘做比較。同時(shí)考慮狹義相對(duì)論效應(yīng)和廣義相對(duì)論效應(yīng)，東向西的理論值是飛機(jī)上的鐘比地面快275±21納秒（10-9s），實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為快273±7納秒，西向東的理論值是飛機(jī)上的鐘比地面慢40±23納秒，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為慢59±10納秒。其中廣義相對(duì)論效應(yīng)（即引力效應(yīng)）理論為東向西快179±18納秒，西向東快144±14納秒，都是飛行時(shí)鐘快于地面時(shí)鐘；但需要注意的是，由于飛機(jī)向東航行是與地球自轉(zhuǎn)方向相同，所以相對(duì)地面靜止的鐘速度更快，導(dǎo)致狹義相對(duì)論效應(yīng)（即運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)）更為顯著，才使得總效應(yīng)為飛行時(shí)鐘慢于地面時(shí)鐘。

此外，1964年夏皮羅提出一項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，利用雷達(dá)發(fā)射一束電磁波脈沖，經(jīng)其他行星反射回地球再被接收。當(dāng)來(lái)回的路徑遠(yuǎn)離太陽(yáng)，太陽(yáng)的影響可忽略不計(jì)；當(dāng)來(lái)回路徑經(jīng)過(guò)太陽(yáng)近旁，太陽(yáng)引力場(chǎng)造成傳播時(shí)間加長(zhǎng)，此稱為雷達(dá)回波延遲或叫“夏皮羅時(shí)延效應(yīng)”。天文學(xué)家后來(lái)通過(guò)金星做了雷達(dá)反射完全符合相對(duì)論的描述。2003年天文學(xué)家利用卡西尼號(hào)土星探測(cè)器，重復(fù)了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量精度在0.002%范圍內(nèi)觀測(cè)與理論一致，這是迄今為止精度最高的廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4引力紅移

從大質(zhì)量天體發(fā)出的光（電磁輻射），由于處于強(qiáng)引力場(chǎng)中，其光振動(dòng)周期要比同一種元素在地球上發(fā)出光的振動(dòng)周期長(zhǎng)，由此引起光譜線向紅光波段偏移的現(xiàn)象。只有在引力場(chǎng)特別強(qiáng)的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測(cè)出來(lái)。二十世紀(jì)六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德在哈佛大學(xué)的杰弗遜物理實(shí)驗(yàn)室（Jefferson Physical Laboratory）采用穆斯堡爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，定量地驗(yàn)證了引力紅移。他們?cè)诰嚯x地面22.6米的高度，放置了一個(gè)伽馬射線輻射源，并在地面設(shè)置了探測(cè)器。他們將輻射源上下輕輕地晃動(dòng)，同時(shí)記錄探測(cè)器測(cè)得的信號(hào)的強(qiáng)度，通過(guò)這種辦法測(cè)量由引力勢(shì)的微小差別所造成的譜線頻率的移動(dòng)。他們的實(shí)驗(yàn)方法十分巧妙，用狹義相對(duì)論和等效原理就能解釋。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與理論值完全符合。2010年來(lái)自美國(guó)和德國(guó)的三位物理學(xué)家馬勒（H．Muller）、彼得斯（A．Peters）和朱棣文通過(guò)物質(zhì)波干涉實(shí)驗(yàn)，將引力紅移效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)精度提高了一萬(wàn)倍，從而更準(zhǔn)確地驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論。

5黑洞

1916年，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西計(jì)算得到愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，這個(gè)解表明，質(zhì)量大到一定程度，引力將把大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，并產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象。這種天體被美國(guó)物理學(xué)家約翰·阿奇巴德·惠勒命名為“黑洞”。史瓦西的解表明黑洞的質(zhì)量極其巨大，而體積卻十分微小，密度異乎尋常的大，它所產(chǎn)生的引力場(chǎng)極為強(qiáng)勁，以至于任何物質(zhì)和輻射在進(jìn)入到黑洞的一個(gè)事件視界（臨界點(diǎn)）內(nèi)，便再無(wú)法逃脫，甚至傳播速度最快的光（電磁波）也無(wú)法逃逸。如果太陽(yáng)要變成黑洞就要求其所有質(zhì)量必須匯聚到半徑僅3千米的空間內(nèi)，而地球質(zhì)量的黑洞半徑只有區(qū)區(qū)0.89厘米。1964年，美籍天文學(xué)家里卡多·吉雅科尼（Riccardo Giacconi）意外地發(fā)現(xiàn)了天空中出現(xiàn)神秘的X射線源，方向位于銀河系的中心附近。1971年美國(guó)“自由號(hào)”人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)該X射電源的位置是一顆超巨星，本身并不能發(fā)射所觀測(cè)到的X射線，它事實(shí)上被一個(gè)看不見(jiàn)的約10倍太陽(yáng)質(zhì)量的物體牽引著，這被認(rèn)為是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞。雖然黑洞不可見(jiàn)，但是它對(duì)周?chē)祗w運(yùn)動(dòng)的影響是顯著的。現(xiàn)在，黑洞已經(jīng)被人們普遍接受了，天文學(xué)家甚至可以用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直接看到一些黑洞吸積盤(pán)的光。

6引力拖曳效應(yīng)

一個(gè)旋轉(zhuǎn)的物體特別是大質(zhì)量物體還會(huì)使空間產(chǎn)生另外的拖曳扭曲，就好像在水里轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)球，順著球旋轉(zhuǎn)的方向會(huì)形成小小的波紋和漩渦。地球的這一效應(yīng)，將使在空間運(yùn)行的陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸發(fā)生41/1000弧秒的偏轉(zhuǎn)，這個(gè)角度大概相當(dāng)于從華盛頓觀看一個(gè)放在洛杉磯的硬幣產(chǎn)生的張角。2004年4月20日，美國(guó)航天局“引力探測(cè)-B”（GP-B）衛(wèi)星從范登堡空軍基地升空，以前所未有的精度觀測(cè)“測(cè)地線效應(yīng)”，從而尋找“慣性系拖曳”效應(yīng)的跡象。衛(wèi)星在軌飛行了17個(gè)月，隨后研究人員對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了5年的分析。2011年5月4日美國(guó)航天局發(fā)布消息稱，GP-B衛(wèi)星已經(jīng)證實(shí)了廣義相對(duì)論的這項(xiàng)預(yù)測(cè)。但是該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和必要性受到很多批評(píng)的聲音。

7引力波

愛(ài)因斯坦在發(fā)表了廣義相對(duì)論后，又進(jìn)一步闡述引力場(chǎng)的概念。牛頓的萬(wàn)有引力定律顯示出引力是“超距”的，比如太陽(yáng)如果突然消失，那么地球就會(huì)瞬間脫離自己的軌道，這似乎是正確的。但愛(ài)因斯坦提出“引力”需要在時(shí)空中傳遞，需要時(shí)間，質(zhì)量的變化引起引力場(chǎng)變化，引力會(huì)以光速向外傳遞，就像水波一樣，這就是“引力波”的由來(lái)。不過(guò)愛(ài)因斯坦知道引力波很微弱，像太陽(yáng)這樣的恒星是不能引起劇烈擾動(dòng)的，連自己都認(rèn)為可能永遠(yuǎn)都探測(cè)不到。1974年，美國(guó)物理學(xué)家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆中子星組成的雙星系統(tǒng)PSR1913+16，并利用其中一顆脈沖星，精準(zhǔn)地測(cè)出兩個(gè)致密星體繞質(zhì)心公轉(zhuǎn)的半長(zhǎng)徑以每年3.5米的速率減小，3億年后將合并，系統(tǒng)總能量周期每年減少76.5微秒，減少的部分應(yīng)當(dāng)就是釋放出的引力波。泰勒和赫爾斯因?yàn)槭状伍g接探測(cè)引力波而榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。如今我們已經(jīng)直接“聽(tīng)”到了引力波悅耳動(dòng)聽(tīng)的聲音，這預(yù)示著現(xiàn)代物理學(xué)嶄新的篇章就此開(kāi)啟！

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