為什麼相對論是正確的？愛因斯坦的理論證據

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我們都知道並熱愛這個世界上最受歡迎的引力理論：廣義相對論(GR)，它首先由阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)親自完成，這一壯舉花了7年時間才完成，並對世界的運作方式提供了驚人的見解。用幾句精闢的話來闡述這個理論的本質是很容易的：物質和能量告訴時空如何彎曲，而時空的彎曲告訴物質如何移動。但實際需要用10個方程式來描述，每一個方程都非常困難，並且與其他方程高度相互聯繫。作為一名優秀的懷疑論者，我們不應該一開始就相信這種錯綜複雜的數學，即使它來自愛因斯坦的大腦，相反,我們需要證據，良好的證據。

一個神聖的使者

博科園-科學科普：在他新理論的所有特徵中，愛因斯坦最自豪的是他能夠解釋水星軌道的細節。那顆最裡面的行星有一個略橢圓的軌道，而且那個橢圓一直在緩慢地圍繞太陽旋轉。換句話說，水星離太陽最遠的地方隨著時間的推移會慢慢改變。如果你把簡單的牛頓引力應用到太陽-水星系統中，這種隨時間變化的變化，稱為旋進，不會出現——艾薩克·牛頓的觀點是不完整的。一旦加入了其他行星輕微的重力輕推和調整，幾乎所有的歲差都可以被解釋，但不是全部。

阿爾伯特·愛因斯坦著名的相對論在現實世界中得到了證實，通過日食、扭曲的星系甚至宇宙結構來測量。圖片：NASA

到20世紀初，這是太陽系動力學中一個眾所周知的問題，但並沒有引起多大爭議。大多數人只是把它添加到越來越多的「我們無法解釋的關於宇宙奇怪事物」列表中，並認為我們總有一天會找到一個平凡的解決方案。但愛因斯坦不是大多數人，他認為水星給了他一個線索。經過數年的努力，他終於能夠彎曲他的相對論性肌肉，並精確地解釋水星的軌道怪癖，他知道他終於破解了引力密碼。

彎曲的光

在愛因斯坦對這個龐然大物作最後的修飾之前，他對引力的性質有了一些驚人的認識。如果你被孤立在一艘火箭飛船上，飛船以平穩、恆定的1g速度加速——提供與地球重力相同的加速度——那麼你實驗室里的一切都會像它在地球表面那樣運行，愛因斯坦推理道。物體會以與地球相同的速度落到地面上;你的腳會牢牢地扎在地板上等等。重力(在地球上的經驗)和加速度(在火箭上的經驗)之間的等價關係推動了愛因斯坦的理論發展。但隱藏在這一場景中的是一種令人驚訝的洞察力。想像一束光線進入飛船左側的窗戶。等到光線穿過飛船出去的時候，它會在哪裡？從旁觀者的角度來看，答案是顯而易見的。

光以一條完美的直線傳播，垂直於火箭的路徑。在光線通過的時候，火箭推動自己前進。然後光線會進入火箭的一個窗口——比如靠近頂部——然後離開靠近底部的窗口，靠近引擎。然而從飛船內部來看，事情似乎很奇怪。為了讓光線進入靠近頂部的窗口和靠近引擎的出口，光束的路徑必須是彎曲的。的確，這正是你所看到的。由於重力和加速度是完全相同的，光必須沿著巨大物體的彎曲路徑運行。實驗上很難觀察到這個，因為你需要大量的質量和一些光線通過靠近表面來獲得可檢測的效果。但是1919年的日蝕證明了這是一個很好的機會，阿瑟·愛丁頓爵士帶領的探險隊發現了愛因斯坦早期理論所預測的遙遠的星光的確切移動。

看到紅色

另一個有趣的結果是關於廣義相對論的創造性思維實驗。這個結論依賴於老式的多普勒效應，但它適用於一個不熟悉的場景。如果有什麼東西在遠離你，它產生的聲音就會被拉長，向下移動到較低的頻率——這就是多普勒效應。同樣的道理也適用於光:一輛遠離你的車看起來比靜止的車更紅（紅燈越亮，頻率越低）。警察可以利用這一轉變，從你的汽車上彈起一盞燈來捕捉你超速的情況。下次你被拉到路邊時，你可以利用這個機會來反思重力的本質。

因此，如果運動改變了光的波長，那麼加速度也可以：從加速火箭底部到頂部的一點光將會經歷紅移。在廣義相對論(GR)下，加速度表示重力。沒錯:從地球表面發出的光，在它越往上傳播，就會越低，變成更紅的頻率。用了幾十年的時間才最終證明了這一預測，因為其影響是如此之小。但在1959年，羅伯特·龐德和格倫·雷布卡提出、設計、建造並實施了一項實驗，使他們能夠測量光的紅移，因為它沿著哈佛大學傑斐遜實驗室的幾層樓往上走。

從未停止過測試

即使有這麼多的證據，我們仍然把廣義相對論放到了測試中。任何愛因斯坦宏偉著作中出現裂痕的跡象，都將引發一種新的引力理論的發展，或許為揭示這種力的全部量子性質鋪平了道路，這是我們目前完全不理解的。但在所有方面，廣義相對論(GR)都是一帆風順的，從敏感的衛星到引力透鏡，從巨大黑洞周圍的恆星軌道到引力波的波紋，再到宇宙本身的進化，愛因斯坦的遺產可能會持續相當長的一段時間。

博科園-科學科普｜文：Paul Sutter/Space

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