檢驗愛因斯坦

謝懿

當(dāng)愛因斯坦公布他的廣義相對論時，聽到的并不全是掌聲。因為幾乎沒有人能理解其中的數(shù)學(xué)，進(jìn)而了解他提出的抽象概念，當(dāng)時他也沒有任何證據(jù)來支持這個理論。但廣義相對論被提出一個世紀(jì)以來，它已經(jīng)連續(xù)不斷地通過了許多嚴(yán)苛的檢驗。

廣義相對論至今仍是我們對引力現(xiàn)象最好的解釋。它提出了各式各樣的驚人概念，其中大部分可以歸結(jié)為一點：由于彎曲的時空結(jié)構(gòu)，對所有的觀測者而言，引力的行為都是相同的。

就像愛因斯坦自己預(yù)計的那樣，從一個煎餅大小的尺度到數(shù)百萬光年的范圍，他的這些觀點都已獲得了驗證。在解釋行星反常的軌道和死亡恒星運動的同時，廣義相對論還在與日常生活休戚相關(guān)的全球定位系統(tǒng)中發(fā)揮了作用。

今天我們使用的廣義相對論，仍是其100年前被提出時的那個樣子，但它在許多不同的條件下依然非常有效。

下面的6個例子，彰顯了愛因斯坦的廣義相對論是如何經(jīng)受住實驗檢驗的。

1.水星近日點進(jìn)動：牛頓引力的瑕疵

19世紀(jì)中葉海王星的發(fā)現(xiàn)也許是牛頓引力定律最偉大的勝利。1846年，法國數(shù)學(xué)家勒威耶發(fā)現(xiàn)天王星軌道異常，并認(rèn)為可能是由另一顆行星引起的。他利用牛頓引力定律對后者所在的位置進(jìn)行了預(yù)言。僅僅幾個月后，德國天文學(xué)家便據(jù)此發(fā)現(xiàn)了海王星。有趣的是，牛頓引力框架下的另一個軌道異常卻佐證了愛因斯坦的想法。

1859年，勒威耶指出，水星到達(dá)其軌道上最靠近太陽的位置——近日點——的時間比“預(yù)定”的晚了半秒。水星并沒有嚴(yán)格遵照牛頓所說的方式運動。這一現(xiàn)象被稱為水星近日點進(jìn)動異常，它的數(shù)值并不大，只有牛頓引力預(yù)言值的10-8。然而，在水星每次為期88天的公轉(zhuǎn)過程中，近日點出現(xiàn)的位置總是與天文學(xué)家預(yù)計的不符。

起初，人們認(rèn)為與天王星問題的解決方案一樣，還有另一顆更為靠近太陽的行星在影響水星的軌道。這顆想象中的行星甚至還有一個名字：祝融。然而，歷經(jīng)數(shù)十年的搜尋，天文學(xué)家也沒有發(fā)現(xiàn)它的蹤影。

1905年，愛因斯坦登場。他嶄新的理論可以精確地解釋水星軌道的異常，原因就在于太陽的巨大質(zhì)量造成的時空彎曲。

在其他恒星系統(tǒng)中同樣觀測到了類似的行星近日點進(jìn)動，也都與廣義相對論的預(yù)言完全一致，其中就包括由兩顆中子星構(gòu)成的雙星系統(tǒng)。中子星是大質(zhì)量恒星坍縮之后留下的致密殘骸，直到20世紀(jì)30年代都鮮有人相信它們的存在。愛因斯坦的廣義相對論可以完美地描述兩顆中子星之間的相互繞轉(zhuǎn)。

2.遙遠(yuǎn)天體的光線彎曲

解釋水星軌道異常的成功并沒有讓愛因斯坦一躍成為超級巨星。幾年之后，當(dāng)廣義相對論另一個大膽的預(yù)言被確認(rèn)，這些榮譽才真正到來。愛因斯坦提出，大質(zhì)量的天體，例如太陽，會彎曲時空，使得掠過它表面附近的光線路徑發(fā)生偏折。

愛因斯坦的廣義相對論激起了英國天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）的興趣，他抓住了一個絕佳的機會來檢驗這一偏折效應(yīng)。1919年5月29日會發(fā)生一次日全食，太陽發(fā)出的耀眼光芒會被月亮遮擋，而與此同時，太陽會出現(xiàn)在明亮的星團(tuán)——畢星團(tuán)——附近。如果愛因斯坦是正確的，太陽的存在會使得畢星團(tuán)中恒星發(fā)出的光線發(fā)生偏折，令它們在天空中的位置發(fā)生微小的改變。

愛丁頓派出了兩個考察隊——一個前往巴西的索布拉爾，另一個前往西非的普林西比島——去測量日全食時畢星團(tuán)恒星位置的變化。結(jié)果顯示，這些恒星的位置確實如預(yù)言的那樣出現(xiàn)了微小的位移。

這一發(fā)現(xiàn)成了世界各地的頭條新聞，1919年11月7日的《倫敦時報》用《科學(xué)的革命，宇宙的新理論，牛頓理論被推翻》作為文章的題目報道了愛因斯坦和他的理論。作為一個重量級的物理學(xué)家，愛因斯坦開始家喻戶曉。

光線穿過彎曲時空產(chǎn)生的引力透鏡現(xiàn)象今天已成為探索宇宙的重要工具。它是愛因斯坦賜予天文學(xué)的禮物。例如，前景星系團(tuán)可以彎曲并放大遙遠(yuǎn)背景中原星系的光線，讓宇宙學(xué)家可以一瞥宇宙的早期時代。

3.光的引力紅移

還有第三個預(yù)言佐證廣義相對論。愛因斯坦認(rèn)為，這三大經(jīng)典實驗是證實廣義相對論的關(guān)鍵，而第三個實驗是他唯一沒能在有生之年看到的實驗。

根據(jù)相對論，當(dāng)光線離開一個大質(zhì)量天體時，引力所彎曲的時空會拉伸光線，進(jìn)而增大它的波長。對光來說，波長等同于其攜帶的能量；可見光的能量越低，看上去就越紅，反之，看上去就越藍(lán)；引力使得光的波長增大，就會讓它變紅。廣義相對論預(yù)言的這一引力紅移效應(yīng)十分微弱，直到1959年才被探測到。

在一個電梯豎井的底部，科學(xué)家放置了一些放射性鐵的樣品，它發(fā)出的γ射線會從底部向上射到屋頂，那里安放了一臺檢測器。雖然跨度只有短短的22.5米，但根據(jù)愛因斯坦的預(yù)言，在地球引力場彎曲的時空中，這足以讓γ射線損失其能量的百萬億分之幾。

為了進(jìn)一步證明這個相對論效應(yīng)，1976年美國航空航天局發(fā)射了引力探測器A火箭。這一次，科學(xué)家測量的是一個原子鐘里電磁波頻率的變化；光的波長越短，其頻率就越高，反之則越低。在近10 000千米的高空，引力探測器A上的時鐘走得比地面上的稍稍快一點。二者的差為7×10-5，和愛因斯坦的預(yù)言相符。

2010年，科學(xué)家又向前進(jìn)了一步，把一臺鐘抬高30厘米，發(fā)現(xiàn)它走的速度每秒鐘會快4×10-13秒。這是一個夢幻般的實驗，能在這么小的距離上測出這么小的差異。由此可以想象，你頭部衰老的速度會比你的腳稍快一點。

在一個更為實際的尺度上，同樣的效應(yīng)也影響著全球定位系統(tǒng)。為了與地球表面的時鐘同步，這些衛(wèi)星上的鐘必須每天調(diào)整3.8×10-5秒。如果不做這個修正，全球定位系統(tǒng)將無法工作。

4.夏皮羅效應(yīng)：光的延遲

夏皮羅效應(yīng)得名于它的提出者歐文·夏皮羅（Irwin Shapiro），這個效應(yīng)通常被稱為廣義相對論的第四大經(jīng)典檢驗，旨在測量光線往返A(chǔ)、B兩點間的時間間隔。如果愛因斯坦是正確的，光線在經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時會花更多的時間。

20世紀(jì)60年代初，夏皮羅提出，當(dāng)從地球上看上去水星位于太陽附近時，利用雷達(dá)照射水星并探測其回波可以檢測這一效應(yīng)。他的計算顯示，太陽的引力場會使得雷達(dá)信號到達(dá)的時間推遲約2×10-8秒。

這項實驗于1966年開始。從水星返回的雷達(dá)波確實發(fā)生了延遲，非常接近夏皮羅的預(yù)言，但兩者符合得并不夠好。

因此，為了進(jìn)一步檢驗夏皮羅效應(yīng)，物理學(xué)家決定棄用行星——因為其粗糙的表面會散射一部分雷達(dá)信號，而改用更好的目標(biāo)——無人航天器。1979年，著陸火星的“海盜”號為驗證夏皮羅效應(yīng)提供了一個極為難得的機會。2003年，科學(xué)家又在飛往土星的“卡西尼”號探測器的信號中探測到了這一時間延遲效應(yīng)。它們的測量結(jié)果都與廣義相對論的預(yù)言相符?！翱ㄎ髂帷碧枌嶒灥木冗_(dá)到了2×10-5，比“海盜”號的精度高50倍。

5.下落的科學(xué)——等效原理

廣義相對論的基石在于等效原理。它指出，在引力場中，物體以相同的速率下落，與它的質(zhì)量或結(jié)構(gòu)無關(guān)。在此基礎(chǔ)上，這一原理還指出，在一個給定參考系中的其他物理學(xué)定律都應(yīng)該不依賴當(dāng)?shù)匾龅膹姸?；換句話說，在飛機上拋一枚硬幣和在地面上拋的效果是一樣的。更進(jìn)一步，無論是在宇宙中何時何地進(jìn)行的實驗，其結(jié)果都應(yīng)該相同。因此，大自然的規(guī)律無論在時間上還是空間上都是處處相同的，這樣一路可以追溯至宇宙大爆炸。

400年前，等效原理就有了第一個佐證。傳言，1589年意大利天文學(xué)家伽利略在比薩斜塔上做了兩個球體自由下落的實驗。這兩個球體受到的空氣阻力很小，雖由不同的材料制成，卻在同一時間落地。近400年后，1971年在月球上又重新上演了這一幕?！鞍⒉_15”號的宇航員戴維·斯科特（Dave Scott）同時松開了手中的一個錘子和一根羽毛。在沒有空氣的月球環(huán)境下，錘子和羽毛一起落下，同時擊中月球表面，再現(xiàn)了伽利略的實驗。盡管它們的成分不同，但下落的速度一樣。

“阿波羅”號的宇航員還在月球表面安裝了激光反射鏡。這些鏡子能反射從地面發(fā)出的激光，進(jìn)而精確測量月球與地球的距離，誤差只有幾毫米。這些測量的結(jié)果可以對等效原理進(jìn)行嚴(yán)苛的檢驗。迄今，數(shù)十年來的激光測月數(shù)據(jù)顯示，其和廣義相對論預(yù)言的差別不足10-14。

和伽利略以及斯科特的自由落體實驗一樣，這些測量也證明，在太陽的引力場中，地球和月球受到的加速度相同。

6.時空、自轉(zhuǎn)與拖曳

愛因斯坦的時空概念實際上有點類似某種膠質(zhì)。有一個著名的比喻，把地球想象成一個放置在蹦床上的保齡球。大質(zhì)量的地球會導(dǎo)致時空蹦床出現(xiàn)凹陷，使得在其附近運動的物體軌跡因為這一彎曲而發(fā)生改變。但蹦床的比喻僅僅是廣義相對論整個物理圖像的一部分。如果廣義相對論是正確的，一個旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量天體還會拖動時空和它一起攪動，就像在蜂蜜中轉(zhuǎn)動一把湯勺。

1960年前后，物理學(xué)家想出一個可以同時檢驗這兩個預(yù)言的實驗。第1步：在人造地球衛(wèi)星上放置陀螺儀。第2步：將衛(wèi)星和陀螺儀對準(zhǔn)同一顆參照星。第3步：測量陀螺儀指向的變化，看看它是否與地球引力場的曳引效應(yīng)相符。

這個實驗所需的技術(shù)在44年后才變得可行，總共耗資7.5億美元。這個儀器后來被命名為引力探測器B（引力探測器A的后續(xù)）。2011年發(fā)布的結(jié)果來之不易：這一實驗的精度超乎以往，因此其數(shù)據(jù)分析成了一項巨大的挑戰(zhàn)。不過最后，測量結(jié)果再次支持了愛因斯坦，地球確實會拖動周圍的時空與它一起轉(zhuǎn)動。

在過去的100年中，廣義相對論的表現(xiàn)優(yōu)異，但對它的檢驗還遠(yuǎn)沒有結(jié)束。雖然已有許多令人印象深刻的嚴(yán)苛實驗，但沒有人在強引力場中，例如黑洞附近，對廣義相對論進(jìn)行檢驗。鑒于此前的實驗結(jié)果，在這些極端環(huán)境下，愛因斯坦的理論可能依然堅如磐石，但也有可能會完全顛覆我們的認(rèn)識。

未來，我們將在更深的層次上探測廣義相對論的預(yù)言，對它的實證檢驗也將會繼續(xù)。