为什么相对论是正确的？爱因斯坦的理论证据|引力|地球|重力

为什么相对论是正确的？爱因斯坦的理论证据

2018-07-04 06:38:39　来源: 物理举报

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群星璀璨、万物有理

我们都知道并热爱这个世界上最受欢迎的引力理论：广义相对论(GR)，它首先由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)亲自完成，这一壮举花了7年时间才完成，并对世界的运作方式提供了惊人的见解。

用几句精辟的话来阐述这个理论的本质是很容易的：物质和能量告诉时空如何弯曲，而时空的弯曲告诉物质如何移动。但实际需要用10个方程式来描述，每一个方程都非常困难，并且与其他方程高度相互联系。作为一名优秀的怀疑论者，我们不应该一开始就相信这种错综复杂的数学，即使它来自爱因斯坦的大脑，相反,我们需要证据，良好的证据。

一个神圣的使者

博科园-科学科普：在他新理论的所有特征中，爱因斯坦最自豪的是他能够解释水星轨道的细节。那颗最里面的行星有一个略椭圆的轨道，而且那个椭圆一直在缓慢地围绕太阳旋转。换句话说，水星离太阳最远的地方随着时间的推移会慢慢改变。如果你把简单的牛顿引力应用到太阳-水星系统中，这种随时间变化的变化，称为旋进，不会出现——艾萨克·牛顿的观点是不完整的。一旦加入了其他行星轻微的重力轻推和调整，几乎所有的岁差都可以被解释，但不是全部。

阿尔伯特·爱因斯坦著名的相对论在现实世界中得到了证实，通过日食、扭曲的星系甚至宇宙结构来测量。图片：NASA

到20世纪初，这是太阳系动力学中一个众所周知的问题，但并没有引起多大争议。大多数人只是把它添加到越来越多的“我们无法解释的关于宇宙奇怪事物”列表中，并认为我们总有一天会找到一个平凡的解决方案。但爱因斯坦不是大多数人，他认为水星给了他一个线索。经过数年的努力，他终于能够弯曲他的相对论性肌肉，并精确地解释水星的轨道怪癖，他知道他终于破解了引力密码。

弯曲的光

在爱因斯坦对这个庞然大物作最后的修饰之前，他对引力的性质有了一些惊人的认识。如果你被孤立在一艘火箭飞船上，飞船以平稳、恒定的1g速度加速——提供与地球重力相同的加速度——那么你实验室里的一切都会像它在地球表面那样运行，爱因斯坦推理道。物体会以与地球相同的速度落到地面上;你的脚会牢牢地扎在地板上等等。重力(在地球上的经验)和加速度(在火箭上的经验)之间的等价关系推动了爱因斯坦的理论发展。但隐藏在这一场景中的是一种令人惊讶的洞察力。想象一束光线进入飞船左侧的窗户。等到光线穿过飞船出去的时候，它会在哪里？从旁观者的角度来看，答案是显而易见的。

光以一条完美的直线传播，垂直于火箭的路径。在光线通过的时候，火箭推动自己前进。然后光线会进入火箭的一个窗口——比如靠近顶部——然后离开靠近底部的窗口，靠近引擎。然而从飞船内部来看，事情似乎很奇怪。为了让光线进入靠近顶部的窗口和靠近引擎的出口，光束的路径必须是弯曲的。的确，这正是你所看到的。由于重力和加速度是完全相同的，光必须沿着巨大物体的弯曲路径运行。实验上很难观察到这个，因为你需要大量的质量和一些光线通过靠近表面来获得可检测的效果。但是1919年的日蚀证明了这是一个很好的机会，阿瑟·爱丁顿爵士带领的探险队发现了爱因斯坦早期理论所预测的遥远的星光的确切移动。

看到红色

另一个有趣的结果是关于广义相对论的创造性思维实验。这个结论依赖于老式的多普勒效应，但它适用于一个不熟悉的场景。如果有什么东西在远离你，它产生的声音就会被拉长，向下移动到较低的频率——这就是多普勒效应。同样的道理也适用于光:一辆远离你的车看起来比静止的车更红（红灯越亮，频率越低）。警察可以利用这一转变，从你的汽车上弹起一盏灯来捕捉你超速的情况。下次你被拉到路边时，你可以利用这个机会来反思重力的本质。

因此，如果运动改变了光的波长，那么加速度也可以：从加速火箭底部到顶部的一点光将会经历红移。在广义相对论(GR)下，加速度表示重力。没错:从地球表面发出的光，在它越往上传播，就会越低，变成更红的频率。用了几十年的时间才最终证明了这一预测，因为其影响是如此之小。但在1959年，罗伯特·庞德和格伦·雷布卡提出、设计、建造并实施了一项实验，使他们能够测量光的红移，因为它沿着哈佛大学杰斐逊实验室的几层楼往上走。

从未停止过测试

即使有这么多的证据，我们仍然把广义相对论放到了测试中。任何爱因斯坦宏伟著作中出现裂痕的迹象，都将引发一种新的引力理论的发展，或许为揭示这种力的全部量子性质铺平了道路，这是我们目前完全不理解的。但在所有方面，广义相对论(GR)都是一帆风顺的，从敏感的卫星到引力透镜，从巨大黑洞周围的恒星轨道到引力波的波纹，再到宇宙本身的进化，爱因斯坦的遗产可能会持续相当长的一段时间。

博科园-科学科普｜文：Paul Sutter/Space

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