相对论的成功预测串

当他公布他的广义相对论时，阿尔伯特·爱因斯坦并没有受到多少掌声。几乎没有人能做他抽象思想所需的数学计算，而且当时他也没有任何证据支持。但在提出的一个世纪以来，爱因斯坦的理论一直通过越来越严格的检验。

它仍然是我们对引力现象的最佳解释。该理论证实了各种奇特的预测，其中大部分归结为一点：引力对于所有观察者来说表现相同，源于“时空”的弯曲，即宇宙的结构。

爱因斯坦的概念已经得到了验证——正如他所料——从一英尺长的三明治到数百万光年宽的星系团。在此期间，广义相对论在“全球定位系统”中留下了印记，同时解释了异常的行星轨道和巨型恒星残骸的旋转死亡之舞。

佛罗里达大学物理学家克利福德·威尔（Clifford Will）说：“我们仍然在使用一百年前发明的同一理论，它在如此多的不同情况下仍然效果惊人。”

以下是爱因斯坦的里程碑式理论经受住（空间-）时间考验的六个例子。

水星，牛顿矩阵中的故障

水星近日点的进动

艾萨克·牛顿的万有引力定律在 19 世纪中叶随着海王星的发现而迎来了最大的胜利。1846 年，法国数学家乌尔班·勒维耶（Urbain Le Verrier）对天王星奇怪的轨道进行了数字计算，认为这可能是由另一个巨大的天体引起的，几个月后，德国天文学家就在牛顿定律预测的同一位置发现了海王星。讽刺的是，正是另一个轨道差异暴露了牛顿理论的漏洞，而爱因斯坦的想法则彻底打破了它。

1859 年，勒维耶指出，水星到达离太阳最近的轨道位置（称为近日点）时，比预定时间晚了半角秒。“水星的行为不像牛顿所说的那样，”芝加哥大学物理学教授丹尼尔·霍尔兹（Daniel Holz）说。

这所谓的“水星近日点进动”并不算什么；与牛顿定律的预测相比，每绕轨道一周（水星的公转周期是 88 天），行星在近日点时的位置就显得有些偏离，虽然只是百万分之一的百分点。

起初，他们认为，就像天王星的情况一样，必然存在一颗比水星更靠近太阳的行星，影响着水星的轨道。这颗假设中的行星甚至有了一个名字——“火山”（Vulcan）。经过几十年的搜寻，都没有发现这颗被灼热的行星。

这时爱因斯坦出现了。1915 年，他崭新的理论精确地解释了水星的异常现象，这最终归因于太阳巨大质量产生的时空弯曲。

此后，在其他恒星系统中，例如双脉冲星，也记录到了类似的近日点进动，这些都与广义相对论完全一致。这些中子星对——由坍塌的巨型恒星形成的超密度残骸——它们相互绕转的方式，正如爱因斯坦所说的那样，尽管直到 1930 年代人们才想到这些天体。

像爱因斯坦一样弯曲

宇宙天体对光的偏折

爱因斯坦最初成功解释了水星的难题，并没有让他一夜成名。那些赞誉实际上是在几年后才到来的，他提出了广义相对论的另一项大胆预测：像太阳这样的巨大天体会扭曲时空，从而使经过的光线偏离方向。

爱因斯坦的工作引起了英国天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）的兴趣，他认识到一个检验光线偏折的绝佳机会：1919 年 5 月 29 日，太阳将发生一次日全食，这将遮挡太阳耀眼的光芒，同时太阳会经过一片明亮的背景星群——毕星团（Hyades）。如果爱因斯坦是正确的，太阳的存在就会偏折它们的光线，从而在天空中微妙地改变它们的位置。

爱丁顿安排了两次探险（一次前往巴西的索布拉尔，另一次前往非洲西海岸的普林西比岛），以便在日食阴影扫过西非和巴西时，寻找毕星团星光在弯曲过程中的变化。果然，星星光线预测的微小位移出现了。

这一发现的消息轰动了全世界，11 月 7 日的《伦敦泰晤士报》宣称：“科学革命/宇宙新理论/牛顿思想被推翻。”令人惊讶的是，爱因斯坦作为一名物理学家，竟然成了家喻户晓的人物。

由时空弯曲引起的光线“引力透镜”已成为探测宇宙的重要工具。威尔说：“我称之为爱因斯坦送给天文学的礼物。”例如，前景星系团可以扭曲和放大远处背景的早期星系的光，从而使宇宙学家能够一窥宇宙的早期景象。

拉伸光线和时间

光的引力红移

除了以上两个预测，这个第三个例子完成了爱因斯坦认为对证明广义相对论至关重要的三个经典检验，而这是他未能亲眼见证的。

相对论认为，当光线远离一个巨大天体时，引力对时空的弯曲会拉伸光线，增加其波长。对于光线来说，波长相当于能量和颜色；低能量的光比短波长、更蓝的光更偏向光谱的红色端。预测的引力“红移”效应在几十年里都过于微弱而无法检测，但在 1959 年，哈佛大学物理学家罗伯特·庞德（Robert Pound）和他的一名研究生格伦·雷布卡（Glen Rebka Jr.）有了一个想法。

他们在哈佛一栋建筑的电梯井里安装了一组放射性铁样品，让辐射从地下室传播到屋顶，在那里他们安装了一个探测器。尽管距离仅为 74 英尺，但足以让伽马射线因为我们庞大行星对时空的引力弯曲而损失百分之几万亿分之一的能量，这与爱因斯坦的预测大致相符。

为了真正准确地测量这种相对论效应，NASA 在 1976 年发射了“引力探测器 A”（Gravity Probe A）火箭。这一次，研究人员寻找一种激光（原子钟中的一种）频率的变化——波长越短意味着频率越高，反之亦然。在 6,200 英里的最高高度，引力探测器 A 上的时钟运行速度比地面上的时钟稍快。这种微小的差异，仅为百万分之七十，以空前的精度匹配了爱因斯坦的计算。

2010 年，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）的科学家们更进一步，发现仅仅高出 1 英尺的高度，时钟每秒就会快万亿分之四百倍。结论是：你的头部比你的脚老化得稍快一些。

威尔说：“那是一次绝妙的实验，能够测量如此短距离内时间流逝速率的差异。”

在更实际的层面上，同样的效应影响着“全球定位系统”（GPS），其轨道卫星每天需要调整三千八百万分之一秒才能与地球表面保持同步。威尔说：“没有这种修正，GPS 就无法工作。”

光，被中断

夏皮罗效应：光线的相对论延迟

这项实验通常被称为广义相对论的第四个经典检验，也是哈佛大学物理学家欧文·夏皮罗（Irwin Shapiro）的得意之作。该实验测量了光从 A 点传播到 B 点再返回所需的时间。如果爱因斯坦的理论是正确的，那么当有巨大天体靠近路径时，光线所需的时间会更长。

20 世纪 60 年代初，夏皮罗提议通过让雷达信号在水星正好位于太阳附近（从地球视角看）时进行反弹来检验这一点。夏皮罗计算得出，与没有太阳在附近时从水星返回的时间相比，太阳的引力井应该会使雷达信号延迟约 200 微秒。夏皮罗说：“这算不上永恒。”

测试始于 1966 年，使用了麻省理工学院（MIT）的 Haystack 天文台的 120 英尺直径的射电望远镜。来自水星的回声与夏皮罗的计算非常吻合。然而，接近并不足够；毕竟，就像水星轨道上的一个小小的异常就能推翻牛顿定律一样。

因此，为了进一步验证夏皮罗效应，物理学家们放弃了行星——它们的粗糙表面会散射部分雷达信号——而是选择了更光滑的目标：航天器。1979 年，火星上的“维京号”（Viking）着陆器为夏皮罗时间延迟提供了一个很好的测试平台。然后，在 2003 年，意大利研究人员在飞往土星的“卡西尼号”（Cassini）航天器的通信信号中探测到了时间延迟。实现的精度为百万分之 20，比“维京号”的结果还要好 50 倍，而且——你猜怎么着——完全符合广义相对论。

科学的坠落

等效原理

广义相对论的核心是等效原理。它指出，物体在引力场中“下落”的速率相同，无论其质量或结构如何。基于这一思想，该原理还认为，给定参考系内的其他物理定律，应该独立于引力的局部强度而运行；换句话说，你在飞机上抛硬币和在地面上抛硬币的结果应该是一样的。总的来说，无论在宇宙的何处，无论在何时进行实验，其结果都应该相同。因此，自然法则在宇宙的任何地方，在任何时候，一直追溯到大爆炸，都必须是相同的。

首先，容易的部分。支持等效原理第一方面的证据最初可以追溯到四个世纪前。1589 年，意大利著名天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）可能出于传说，从比萨斜塔上释放了球体。这些球体虽然材质不同，但由于空气阻力很小，同时落地。 presto！四个世纪后，在 1971 年，一次更令人印象深刻的演示发生在月球上。在“阿波罗 15 号”（Apollo 15）任务期间，宇航员戴夫·斯科特（Dave Scott）同时松开了锤子和羽毛。在没有空气的月球环境中，这两个物体同时下落并同时击中月球表面，呼应了伽利略的实验。这两个物体下落的速率相同，尽管它们存在差异。

“阿波罗”号的宇航员还在月球表面留下了反射器。这些精密的镜子使得科学家能够通过激光反射月球，从而精确测量其相对于地球的位置，精度可达百分之四英寸。这些读数对“等效下落”概念以及自然法则必须处处相等的相关概念进行了严格检验。迄今为止，这些月球激光测距实验几十年来的数据，都与广义相对论在万亿分之一的百分比范围内一致。

该装置还测量到月球向太阳的加速度与地球相同，就像伽利略和斯科特扔下的物体一样。毕竟，根据等效原理，“你实际上是在围绕太阳抛下地球和月球，”芝加哥大学的霍尔兹说。

时空，旋转和拖拽

地转效应和参考系拖拽效应

爱因斯坦对时空的设想实际上有点像凝胶。一个著名的类比说明了这一思想：想象地球是一个放在蹦床上的保龄球。巨大的地球会压弯时空蹦床的织物，使得靠近行星/球滚动的物体，其轨迹会因地球的引力弯曲而改变。但是蹦床的类比只是广义相对论图景的一部分。如果理论是正确的，一个旋转的巨大天体会带动时空一起旋转，就像在蜂蜜中旋转的勺子一样。

大约在 1960 年，物理学家们设想了一个简单的实验来检验这两个预测。第一步：将陀螺仪安装在绕地球运行的卫星上。第二步：将航天器和陀螺仪与一颗参考恒星对齐，作为比较的基础。第三步：观察陀螺仪的对齐变化，看看它们被地球引力影响拖拽了多远。

后来被称为“引力探测器 B”（Gravity Probe B，可以算作“引力探测器 A”的续集）的实验，直到 44 年后（耗资 7.5 亿美元）才在技术上成为可能。2011 年公布的结果来之不易：尽管精度前所未有且经过耐心等待，但微小的对齐偏差仍然给数据分析带来了挑战。但最终，测量结果再次支持了爱因斯坦。地球的自转确实会拖拽时空。

在过去的 100 年里，广义相对论一直表现良好。但它的考验远未结束。尽管许多检验都令人印象深刻且严谨，但没有一项发生在引力极其强大的区域，例如黑洞附近。在这些极端环境中，爱因斯坦的理论可能会崩溃，或者——考虑到这位伟人的过往记录——它们可能会以更惊人的预测能力让我们惊叹。

威尔说：“我们真的在更深入地探测广义相对论的预测。我们不应该放弃对其的检验。”