检验爱因斯坦

谢懿

当爱因斯坦公布他的广义相对论时，听到的并不全是掌声。因为几乎没有人能理解其中的数学，进而了解他提出的抽象概念，当时他也没有任何证据来支持这个理论。但广义相对论被提出一个世纪以来，它已经连续不断地通过了许多严苛的检验。

广义相对论至今仍是我们对引力现象最好的解释。它提出了各式各样的惊人概念，其中大部分可以归结为一点：由于弯曲的时空结构，对所有的观测者而言，引力的行为都是相同的。

就像爱因斯坦自己预计的那样，从一个煎饼大小的尺度到数百万光年的范围，他的这些观点都已获得了验证。在解释行星反常的轨道和死亡恒星运动的同时，广义相对论还在与日常生活休戚相关的全球定位系统中发挥了作用。

今天我们使用的广义相对论，仍是其100年前被提出时的那个样子，但它在许多不同的条件下依然非常有效。

下面的6个例子，彰显了爱因斯坦的广义相对论是如何经受住实验检验的。

1.水星近日点进动：牛顿引力的瑕疵

19世纪中叶海王星的发现也许是牛顿引力定律最伟大的胜利。1846年，法国数学家勒威耶发现天王星轨道异常，并认为可能是由另一颗行星引起的。他利用牛顿引力定律对后者所在的位置进行了预言。仅仅几个月后，德国天文学家便据此发现了海王星。有趣的是，牛顿引力框架下的另一个轨道异常却佐证了爱因斯坦的想法。

1859年，勒威耶指出，水星到达其轨道上最靠近太阳的位置——近日点——的时间比“预定”的晚了半秒。水星并没有严格遵照牛顿所说的方式运动。这一现象被称为水星近日点进动异常，它的数值并不大，只有牛顿引力预言值的10-8。然而，在水星每次为期88天的公转过程中，近日点出现的位置总是与天文学家预计的不符。

起初，人们认为与天王星问题的解决方案一样，还有另一颗更为靠近太阳的行星在影响水星的轨道。这颗想象中的行星甚至还有一个名字：祝融。然而，历经数十年的搜寻，天文学家也没有发现它的踪影。

1905年，爱因斯坦登场。他崭新的理论可以精确地解释水星轨道的异常，原因就在于太阳的巨大质量造成的时空弯曲。

在其他恒星系统中同样观测到了类似的行星近日点进动，也都与广义相对论的预言完全一致，其中就包括由两颗中子星构成的双星系统。中子星是大质量恒星坍缩之后留下的致密残骸，直到20世纪30年代都鲜有人相信它们的存在。爱因斯坦的广义相对论可以完美地描述两颗中子星之间的相互绕转。

2.遥远天体的光线弯曲

解释水星轨道异常的成功并没有让爱因斯坦一跃成为超级巨星。几年之后，当广义相对论另一个大胆的预言被确认，这些荣誉才真正到来。爱因斯坦提出，大质量的天体，例如太阳，会弯曲时空，使得掠过它表面附近的光线路径发生偏折。

爱因斯坦的广义相对论激起了英国天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）的兴趣，他抓住了一个绝佳的机会来检验这一偏折效应。1919年5月29日会发生一次日全食，太阳发出的耀眼光芒会被月亮遮挡，而与此同时，太阳会出现在明亮的星团——毕星团——附近。如果爱因斯坦是正确的，太阳的存在会使得毕星团中恒星发出的光线发生偏折，令它们在天空中的位置发生微小的改变。

爱丁顿派出了两个考察队——一个前往巴西的索布拉尔，另一个前往西非的普林西比岛——去测量日全食时毕星团恒星位置的变化。结果显示，这些恒星的位置确实如预言的那样出现了微小的位移。

这一发现成了世界各地的头条新闻，1919年11月7日的《伦敦时报》用《科学的革命，宇宙的新理论，牛顿理论被推翻》作为文章的题目报道了爱因斯坦和他的理论。作为一个重量级的物理学家，爱因斯坦开始家喻户晓。

光线穿过弯曲时空产生的引力透镜现象今天已成为探索宇宙的重要工具。它是爱因斯坦赐予天文学的礼物。例如，前景星系团可以弯曲并放大遥远背景中原星系的光线，让宇宙学家可以一瞥宇宙的早期时代。

3.光的引力红移

还有第三个预言佐证广义相对论。爱因斯坦认为，这三大经典实验是证实广义相对论的关键，而第三个实验是他唯一没能在有生之年看到的实验。

根据相对论，当光线离开一个大质量天体时，引力所弯曲的时空会拉伸光线，进而增大它的波长。对光来说，波长等同于其携带的能量；可见光的能量越低，看上去就越红，反之，看上去就越蓝；引力使得光的波长增大，就会让它变红。广义相对论预言的这一引力红移效应十分微弱，直到1959年才被探测到。

在一个电梯竖井的底部，科学家放置了一些放射性铁的样品，它发出的γ射线会从底部向上射到屋顶，那里安放了一台检测器。虽然跨度只有短短的22.5米，但根据爱因斯坦的预言，在地球引力场弯曲的时空中，这足以让γ射线损失其能量的百万亿分之几。

为了进一步证明这个相对论效应，1976年美国航空航天局发射了引力探测器A火箭。这一次，科学家测量的是一个原子钟里电磁波频率的变化；光的波长越短，其频率就越高，反之则越低。在近10 000千米的高空，引力探测器A上的时钟走得比地面上的稍稍快一点。二者的差为7×10-5，和爱因斯坦的预言相符。

2010年，科学家又向前进了一步，把一台钟抬高30厘米，发现它走的速度每秒钟会快4×10-13秒。这是一个梦幻般的实验，能在这么小的距离上测出这么小的差异。由此可以想象，你头部衰老的速度会比你的脚稍快一点。

在一个更为实际的尺度上，同样的效应也影响着全球定位系统。为了与地球表面的时钟同步，这些卫星上的钟必须每天调整3.8×10-5秒。如果不做这个修正，全球定位系统将无法工作。

4.夏皮罗效应：光的延迟

夏皮罗效应得名于它的提出者欧文·夏皮罗（Irwin Shapiro），这个效应通常被称为广义相对论的第四大经典检验，旨在测量光线往返A、B两点间的时间间隔。如果爱因斯坦是正确的，光线在经过大质量天体附近时会花更多的时间。

20世纪60年代初，夏皮罗提出，当从地球上看上去水星位于太阳附近时，利用雷达照射水星并探测其回波可以检测这一效应。他的计算显示，太阳的引力场会使得雷达信号到达的时间推迟约2×10-8秒。

这项实验于1966年开始。从水星返回的雷达波确实发生了延迟，非常接近夏皮罗的预言，但两者符合得并不够好。

因此，为了进一步检验夏皮罗效应，物理学家决定弃用行星——因为其粗糙的表面会散射一部分雷达信号，而改用更好的目标——无人航天器。1979年，着陆火星的“海盗”号为验证夏皮罗效应提供了一个极为难得的机会。2003年，科学家又在飞往土星的“卡西尼”号探测器的信号中探测到了这一时间延迟效应。它们的测量结果都与广义相对论的预言相符。“卡西尼”号实验的精度达到了2×10-5，比“海盗”号的精度高50倍。

5.下落的科学——等效原理

广义相对论的基石在于等效原理。它指出，在引力场中，物体以相同的速率下落，与它的质量或结构无关。在此基础上，这一原理还指出，在一个给定参考系中的其他物理学定律都应该不依赖当地引力场的强度；换句话说，在飞机上抛一枚硬币和在地面上抛的效果是一样的。更进一步，无论是在宇宙中何时何地进行的实验，其结果都应该相同。因此，大自然的规律无论在时间上还是空间上都是处处相同的，这样一路可以追溯至宇宙大爆炸。

400年前，等效原理就有了第一个佐证。传言，1589年意大利天文学家伽利略在比萨斜塔上做了两个球体自由下落的实验。这两个球体受到的空气阻力很小，虽由不同的材料制成，却在同一时间落地。近400年后，1971年在月球上又重新上演了这一幕。“阿波罗15”号的宇航员戴维·斯科特（Dave Scott）同时松开了手中的一个锤子和一根羽毛。在没有空气的月球环境下，锤子和羽毛一起落下，同时击中月球表面，再现了伽利略的实验。尽管它们的成分不同，但下落的速度一样。

“阿波罗”号的宇航员还在月球表面安装了激光反射镜。这些镜子能反射从地面发出的激光，进而精确测量月球与地球的距离，误差只有几毫米。这些测量的结果可以对等效原理进行严苛的检验。迄今，数十年来的激光测月数据显示，其和广义相对论预言的差别不足10-14。

和伽利略以及斯科特的自由落体实验一样，这些测量也证明，在太阳的引力场中，地球和月球受到的加速度相同。

6.时空、自转与拖曳

爱因斯坦的时空概念实际上有点类似某种胶质。有一个著名的比喻，把地球想象成一个放置在蹦床上的保龄球。大质量的地球会导致时空蹦床出现凹陷，使得在其附近运动的物体轨迹因为这一弯曲而发生改变。但蹦床的比喻仅仅是广义相对论整个物理图像的一部分。如果广义相对论是正确的，一个旋转的大质量天体还会拖动时空和它一起搅动，就像在蜂蜜中转动一把汤勺。

1960年前后，物理学家想出一个可以同时检验这两个预言的实验。第1步：在人造地球卫星上放置陀螺仪。第2步：将卫星和陀螺仪对准同一颗参照星。第3步：测量陀螺仪指向的变化，看看它是否与地球引力场的曳引效应相符。

这个实验所需的技术在44年后才变得可行，总共耗资7.5亿美元。这个仪器后来被命名为引力探测器B（引力探测器A的后续）。2011年发布的结果来之不易：这一实验的精度超乎以往，因此其数据分析成了一项巨大的挑战。不过最后，测量结果再次支持了爱因斯坦，地球确实会拖动周围的时空与它一起转动。

在过去的100年中，广义相对论的表现优异，但对它的检验还远没有结束。虽然已有许多令人印象深刻的严苛实验，但没有人在强引力场中，例如黑洞附近，对广义相对论进行检验。鉴于此前的实验结果，在这些极端环境下，爱因斯坦的理论可能依然坚如磐石，但也有可能会完全颠覆我们的认识。

未来，我们将在更深的层次上探测广义相对论的预言，对它的实证检验也将会继续。