直到今天， 科學家們依然以驗證廣義相對論為榮。 來自：【新民周刊】

撰稿｜小 庄 愛因斯坦的《廣義相對論》論文發表於1915年12月2日，今年將迎來論文發表100周年。為了紀念這一偉大理論的誕生，《科學》雜誌今年早些時候還刊發一期紀念專刊。那麼為人津津樂道、影響深遠的廣義相對論到底是怎麼回事呢？ 突破牛頓經典力學的束縛 　　讓我們從一顆行星的「出現」與「消失」開始談起。 　　1859年，曾發現過海王星的法國著名天文學家勒威耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier，1811-1877）提出一個假說，他認為太陽系中，在水星的軌道之內還存在一顆行星祝融星（Vulcan），這是為了解釋水星在近日點的「奇怪」行為：作為太陽的行星之一，水星繞著它做周期性橢圓運動，離太陽最近的點叫做近日點，多年來天文觀測顯示，水星近日點一直在發生偏移，即兩次近日點之間，太陽-水星連線掃過的並非一個360度閉合曲面。勒威耶以及其他同時期的天文學家利用牛頓力學進行計算，計入太陽和其他行星的影響在內，得出了這個進動偏移值為38角秒/世紀，這時有天文愛好者給他寫信，嚷嚷著自己觀測到了一顆黑點移過太陽表面，這令他想到可能還存在另一顆行星，因其與水星之間存在引力作用而出現這種偏差。 　　次年也就是1860年發生了一次全日食。勒威耶動員了當時一大批精英級天文學家去找尋祝融星，但大家卻空手而歸誰也沒有觀測到，於是祝融星假說被懸置。不過這件事情在1878年還鬧騰了一次，因為那年又發生了日全食，有人宣稱在太陽附近看到小而亮的圓盤，應該就是水星以內的太陽行星。其實一直以來熱衷於尋找祝融星的人還不少，這其中包括加拿大美國天文學家西蒙·紐科姆（Simon Newcomb，1835 -1909），他是一位非常善於運用數學工具來解決學科問題的科學家，測算出的水星進動偏移非常精確，然而就是在實際觀測中怎麼也找不到那顆行星的有力證據。這麼多牛人被此問題迷惑，真正的原因不在其他，僅僅是由於牛頓的經典力學框架對於當時物理學的束縛，已經到了亟待突破的關口——在星級宇宙尺度上的天體運動，還真不是力學三定律能夠對付得了。 　　直到1915年11月，已經把廣義相對論體系從狹義相對論體系拓展出來並構建完成的阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein,1879-1955），在他的理論之下算出水星的進動偏移值與觀測值43.11角秒吻合得相當之好，才宣告了這個問題的完滿解答，他於後來的一篇論文中寫道：按照廣義相對論（廣義相對論當然與牛頓的理論不同），行星在其軌道上的運動應與牛頓-開普勒定律有微小的出入……橢圓的長軸繞太陽旋轉，旋轉的方向與行星的軌直運動方向相同。根據理論的要求，這個轉動對於水星而言應達到每世紀43」（角度），但是對於我們的太陽系的其他行星而言，這個轉動的量值應該是很小的，是必然觀測不到的。（特別是由於下一顆行星——金星——的軌道幾乎正好是一個圓，這樣就更加難於精確地確定近日點的位置）。 　　祝融星從此不再是天文學家的心頭好，它更得其所的一個去處是科幻影視，熟悉《星際迷航》的讀者，應該已經想起裡面那些尖耳朵、長眉毛、會舉手指兩兩相併奇怪手勢的Vulcan星人了吧，他們絕對是我們人類的好朋友。 廣義相對論的發布 　　愛因斯坦在1905年發表了一篇探討光線在狹義相對論中，重力和加速度對其影響的論文，廣義相對論的雛形就此開始形成。1912年，愛因斯坦發表了另外一篇論文，探討如何將重力場用幾何的語言來描述。至此，廣義相對論的運動學出現了。到了1915年，愛因斯坦引力場方程發表了出來，整個廣義相對論的動力學才終於完成。1916年愛因斯坦在德國《物理學紀事》第4系列第49卷上發表論文《廣義相對論的基礎》，在其中，他總結了對引力場的研究，並作出了三個重要的預言：水星近日點進動；引力紅移；光線在引力場中彎曲。第一條甚至不是預言，而是對觀測的精確解釋了。

　　說到此處，我們該來簡單扼要地談談，到底什麼是廣義相對論了，當然在這之前，得說清楚什麼是狹義相對論。1905年，被史學家認為是「愛因斯坦年」，那一年，還只是一名瑞士伯爾尼專利局小職員的26歲青年阿爾伯特一口氣在《物理學雜誌》三篇論文合發，第一篇是讓他後來獲得諾貝爾獎的光量子論文，第二篇有關於布朗運動，第三篇才是真正的狹義相對論論文《論動體的電動力學》，它的目的是要統一力學和電動力學，其中闡明了狹義相對性原理（一切物理定律，包括力學定律、電磁學定律以及其他相互作用的動力學定律，在所有慣性參考系中都是等價的，不存在絕對靜止的參考系以太）和光速不變原理。同年9月他又完成了《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》，以不足3頁篇幅推導出了著名的質能方程式E=mc2。 　　而廣義相對論則可說是關於引力的相對性理論，愛因斯坦在接下來10年中把狹義相對論拓展到了加速參考系，並真正地推導出引力場和時空的關係，得到了引力場中的質點運動方程。所用到的數學工具，也突破了歐幾里德幾何的藩籬，而進入黎曼幾何的廣闊無垠。它是整個現代物理學向前發展的基石。這個理論之美妙，實在是無法形容，我仍然記得自己第一次從科學紀錄片《優雅的宇宙》中表現太陽質量引起周圍引力場變化的一幕中突然有點領悟到廣義相對論到底是說啥時的激動不已，這也是我和找我聊《星級穿越》這種情節其實乏善可陳的科幻片的朋友們反覆強調「這部片子最大的價值其實是讓普通人明白引力是多麼地特殊」的原因。 　　愛因斯坦的廣義相對論論文中的另兩個預言（引力紅移和光線在引力場中彎曲）的驗證也是充滿戲劇性。紅移即是我們今天都很熟悉的多普勒效應，指的是在引力作用下，遠離地表的光波會損失一部分能量，表現為波長變長，頻率下降。1959年，哈佛大學的羅伯特·龐德（Robert Pound）和格倫·里貝卡（Glen Rebka）通過實驗證實了這一點。你也許不知道，掌握引力紅移效應對於操作全球定位系統（GPS）至關重要，鑒於今天每個人的智能手機里應該都有GPS軟體，所以完全可以說廣義相對論其實在我們每天的生活里都發揮著作用。而另一個故事應該更加眾所周知，1919年3月29日的日食條件下，亞瑟·艾丁頓（Arthur Stanley Eddington，1882-1944）組織的英國天文學家考察隊分別在巴西北部和非洲西部沿海的普林西比島，觀察到光線在經過太陽引力場時出現彎曲的事實。這件事的詭異之處在於，其實1914年8月東歐日食就是一次很好的驗證機會，奈何當時一戰爆發，前往觀測的德國天文學家被俄國軍隊當作戰俘給抓了起來，而留下來的美國天文學家在天氣不佳情況下沒有得到很好的觀測結果，不過事實上，那時愛因斯坦的計算也有誤，和他之後修正的值之間相差了一倍多，所以1919年的驗證其實是個更完滿的安排。 　　所以，故事到這裡該結束了嗎？不，我要告訴你這只是剛剛開始，近年來各種各樣驗證廣義相對論的天文觀測或者實驗才是好戲連台。 廣義相對論的證實 　　2004年，美國發射了Probe B探測衛星，這顆造價高達7.5億美元的衛星，其設想竟來自此前40多年。根據廣義相對論，地球周圍存在一個時空曲率，早在1918年，約瑟夫·倫瑟（Josef Lense）和漢斯·蒂林（Hans Thirring）就指出，因為時空曲率的存在會出現參考系拖拽現象，1960年代，美國國防部的喬治·皮尤（George Pugh）和斯坦福大學的萊納德·希夫（Leonard Schiff）分別獨立提出用陀螺儀去測量這一現象的構想，地球帶來的時空扭曲將導致陀螺儀旋轉軸出現每年0.041弧秒的改變。而真正的難點在於構造這個絕對精密的測量儀器，廢話不多說了，我舉其中一點來說明這個陀螺儀內部的轉子有多麼厲害，如果把這個乒乓球大小的石英轉子（表面覆有超導金屬）放大到地球大小，它表面的「山峰」最高也不超過8英尺，可見它光滑到了什麼地步！這個昂貴測試的結果是在2011年公布的，觀測完成之後用了整整5年來分析數據，得到的結果很好地吻合了廣義相對論的演算。 　　前述的水星進動偏移其實會發生在太陽系的各個行星身上，時至今日，仍有研究團隊在對其他軌道的偏移角度進行計算（因為現在的觀測手段已經和一個世紀前不可同日而語），也一次次驗證了廣義相對論的有效。 　　另一個有意思的現象是「愛因斯坦十字」，這是引力透鏡原理的應用，就在今年3月的《自然》雜誌，報道了哈勃空間望遠鏡第一次拍到一顆爆炸超新星的4個不同影像，排布成十字架的形狀——因為爆炸恆星發出的光被前景中一個星系團MACS J1149+2223的強大引力掰得各種彎曲。而今年6月《日本天文學會會刊》上發表的論文稱，智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA）對距離地球117億光年的遙遠星系SDP.81進行了觀測，在它和地球之間（距我們約34億光年）有另外一個大質量星系，其引力會彎折光線起到天然透鏡的效果。結果顯示，來自SDP.81的星光被「透鏡」星系放大，亮度增強，圖像扭曲，形成了「愛因斯坦光環」。（作者為果殼閱讀創始人，科學松鼠會成員）
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