广义相对论与通识物理的关联

我们知道，一个理论要成为被人们广泛接受的科学规律，除了能解释已发生的现象外，还必须能给出高精度、可重复的实验证实。广义相对论之所以能得到广泛承认，而且爱因斯坦本人被公认为20 世纪最伟大的科学家，就在于广义相对论不仅解释了许多已有的现象，而且给出了一些看似不可思议，但却得到大量实验证实的科学预言，其中最典型的四个例子当属：引力红移、轨道进动、光线偏折和引力波。

首先，“引力红移”是强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象。我们知道，质量的存在会导致万有引力的产生（在这里我们不严格区分“引力”和“扭曲”）；而根据广义相对论的结论“引力越大、时间越慢”可知，越是靠近大质量星体的地方，其引力越大，时间也将走得越慢。当光波远离大质量恒星时，随着时间变快，光波的“头部”将跑得越来越快，而“尾部”则相对较慢，这将导致光波的“拉伸”和波长的增加。这种“引力红移”现象首先在引力场很强的白矮星上被检测到。20 世纪60 年代，美国科学家庞德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡尔效应的实验方法，通过一系列巧妙的设计，测量由地面上高度相差22.6 米的两点之间引力势的微小差别所造成的谱线频率的移动，其实验结果在很高的精度上定量证实了爱因斯坦有关“引力红移”效应的科学预言。

其次，根据开普勒行星运动定律，我们知道行星绕日运动的轨道是一个固定的椭圆，这与牛顿万有引力的计算结果是一致的。然而，实际的天文学观测发现，行星轨道并不是一个固定的椭圆，其轨道的近日点会不断向前移动，并最终形成如图8.22 所示的神奇的花状轨迹，这就是“轨道进动”效应。这个效应以离太阳最近的水星最为显著，每个世纪水星的近日点会偏转5600.73″。根据牛顿万有引力定律，这个轨道偏转主要是由坐标系的“岁差”和其他行星的“摄动”引起的，但扣除这些影响后，仍然有约43″的误差。有人猜测这个轨道偏转误差可能源于一个比水星更靠近太阳的水内行星吸引所致，就像海王星改变天王星轨道那样，可是经过多年的观测，人们并没有找到这颗设想中的水内行星。19 世纪，随着电磁理论的发展，一些科学家也曾试图用电磁理论来解释水星近日点的“轨道进动”问题，但均未能得出满意的结果。直到1916 年，爱因斯坦根据广义相对论写出了行星轨道进动的计算公式。对于水星，其计算结果与水星实际轨道偏转值几乎完全一致，而水星近日点的“轨道进动”效应也就成为广义相对论在天文学方面的最有力验证之一。

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图8.22　水星的“轨道进动”效应

第三，根据牛顿第二定律F=ma，有质量的物体才能具有加速度从而改变运动状态。而众所周知，光子的静止质量为零，那光子是否会具有加速度呢？对于这个问题，爱因斯坦在建立广义相对论后给出了恒星光的引力偏转预言：虽然光子的静止质量（m0）为零，但它具有能量，而根据质能方程E =mc2，能量和质量可以相互转换，所以光子就具有了运动质量（m）。这样一来，理论上光子在引力场中会受到引力作用而具有加速度，进而发生传播路径的偏折，也就是“光线偏折”效应。在做出“光线偏折”预言的同时，爱因斯坦还给出了星光偏折角度的理论计算公式。但是，要观测和验证这种星光偏折现象是很困难的，因为太阳是距离地球最近的恒星，平时太阳光的亮度太强，所以在强阳光背景下是不可能观测到其他微弱星光的，除非能挡住太阳光，而这样的机会只出现在日全食的时候。有趣的是，爱因斯坦在1916年建立起广义相对论，而1919 年5 月29 日就有这样的机会。当时，英国天文学家爱丁顿带领考察队赴巴西，对通过太阳表面的星光偏折进行了实测，其测量结果（1.98″）与爱因斯坦的理论预测值（1.61″）基本符合。就这样，广义相对论的有效性再一次被实验验证了。此外，由于“光线偏折”效应，人们后来还根据类似凸透镜的光线聚焦现象，观察到了大星体（比如白矮星、黑洞等）背后恒星的重像和环像，这都很好地验证了广义相对论的“光线偏折”效应。

第四，根据广义相对论，引力可以被认为是质量所导致时空扭曲的一种体现。如果一个有质量的物体开始运动，其所引发的时空扭曲也会发生变化，这种变化会以光速向外界传播，这种传播现象就被称为“引力波”。在这里，我们可以引入一个帮助理解“引力波”效应的最通俗例子：假设在某一时刻，太阳突然完全消失了。那么根据“引力波”理论，太阳所导致的“时空扭曲”将从内向外以光速渐次消失，而地球则将在八分钟后陷入黑暗并偏离原有的“公转”轨道。但是根据牛顿经典力学，物体间的万有引力作用是实时的且与“波动”无关，其传播速度是无限大。那么，究竟谁是正确的呢？显然，能否观测到“引力波”，就成为回答这个问题的关键答案。但是，引力波实在是太弱了，目前人类可探测级别的引力波，主要产生于一些宇宙大事件，比如：黑洞捕捉其他星体、超新星的爆发、黑洞的形成以及多颗黑洞发生碰撞等。2016 年2 月11 日，LIGO 科学合作组织和Virgo 合作团队宣布他们利用高级LIGO探测器，首次成功探测到了来自双黑洞合并（质量分布急剧变化）的引力波信号。这个观测结果不仅证实了物体相互作用（引力或者说时空扭曲）的传播速度仍然是光速的，而且还标志着爱因斯坦有关广义相对论的科学预言终于完成了最后一块拼图，所以“引力波”的发现也堪称是半个世纪以来人类世界最伟大的科学发现。