三個實驗

趙崢，1967年畢業于中國科技大學物理系，1981年于北京師范大學天文系獲碩士學位，1987年于布魯塞爾自由大學獲博士學位。曾任北京師范大學研究生院副院長、物理系主任.中國引力與相對論天體物理學會理事長、中國物理學會理事。現為北京師范大學物理系教授，理論物理博士生導師、教育學博士生導師。

愛因斯坦在發表廣義相對論時指出，有3個可以觀測的實驗能夠證明廣義相對論正確。這3個實驗是引力紅移、行星軌道近日點的進動和光線偏折。

引力紅移

愛因斯坦指出，時空彎曲會使時間進程變慢。時空彎曲得越厲害，時間進程越慢。太陽附近的時空比地球附近的時空彎曲度大，所以太陽附近的時鐘會走得比地球上的鐘慢。不信的話，你可以在太陽表面放一個鐘，然后用望遠鏡觀測，并和地球上的鐘進行比較。當然，這是開玩笑的話。太陽表面怎么放置時鐘？就是放置好了你也不敢用望遠鏡看啊！那里太亮了，眼睛根本受不了。愛因斯坦說沒有關系，太陽那里原來就放著鐘，這種鐘就是氫原子。

大家知道，每種原子都有特定的光譜，化學家們經常通過光譜分析鑒定化學元素。每種原子的光譜都由確定的若干根光譜線組成，每根光譜線又都有確定的頻率。

愛因斯坦認為，每根光譜線都對應著原子內部特定的鐘，光譜線的頻率就是它對應的原子鐘的頻率。時間進程變慢，原子內部的鐘會隨著變慢，這時對應的光譜線的頻率就會減小，波長就會增大，光譜線就會向光譜的紅端移動，這就是光譜線的紅移。

愛因斯坦預言時空彎曲會造成時間進程變慢，這樣產生的紅移稱為引力紅移。

太陽表面存在大量氫原子，廣義相對論預言，由于那里的時間變慢，氫原子的光譜線將產生紅移?？梢杂^測太陽表面的氫光譜，測出其紅移，并和地球實驗室中的氫光譜進行比較。比較的結果與廣義相對論的預言一致。

但要指出，按照牛頓理論，光子從太陽表面飛向地球，需要克服太陽引力場的勢能，光子的能量會減小，這也將導致光子頻率減小，光譜線也會發生紅移。用萬有引力定律算出的紅移量與廣義相對論的預言值相差不大。目前的觀測精度尚不能測出二者的差異。

此外，太陽表面存在被稱為太陽風的垂直升降氣流，其產生的多普勒效應包含藍移（上升氣流引起）和紅移（下降氣流引起）。而且，太陽表面溫度很高（約6 000℃左右），氫原子熱運動劇烈，雜亂的熱運動也會產生多普勒效應，導致雜亂的紅移和藍移。這些多普勒效應導致的譜線移動會疊加在譜線的引力紅移上，使光譜線變寬，紅移量不穩定。這些都增加了觀測的困難。

所以說，引力紅移是對廣義相對論的支持，但精度還有待提高。

行星軌道近日點的進動

開普勒三定律指出，行星繞日運動的軌道是封閉的橢圓。牛頓的萬有引力定律支持開普勒的結論，算出行星繞日運動的軌道確實是封閉的橢圓。但是天文觀測早就發現，行星軌道并不是封閉的橢圓。這個橢圓會不斷向前進動（圖1）。對軌道近日點的觀測能夠精確確定軌道的進動值。

離太陽越近的行星，進動效應越大，所以天文學家經常以離太陽最近的行星——水星的軌道為例，研究軌道近日點的進動。經過長期觀測，天文學家發現水星軌道近日點的進動值為每百年5 600弧秒，其中5：557.62弧秒的進動可以用太陽自轉、其他行星的影響等各種天文因素的影響加以解釋，而其余的43弧秒的進動得不到說明。這是廣義相對論誕生之前就知道的事情。

19世紀的天文學家勒維葉，在與亞當斯分別成功預言海王星之后，又對水星軌道的這一異常進動產生了興趣。勒維葉猜想是否存在一顆未知的、離太陽比水星還近的行星，那顆行星的存在和運動對水星軌道有影響，造成了這43弧秒的額外進動。他假定這顆未知行星的存在，反過來用水星軌道的進動推出了這顆星在天空的位置。他又去觀測，有一次看見太陽表面有一個移動的黑點，他以為發現了這顆行星。由于這顆“行星”離太陽非常近，他稱其為火神星。后來發現，那個黑點其實是個太陽黑子，火神星純屬子虛烏有。

到了愛因斯坦時代，水星軌道進動的這點偏差依然沒有得到解釋。愛因斯坦知道這一情況，非常希望自己的新理論能解決這個疑難，所以他在創建廣義相對論的過程中，一直注意把新理論與這個疑難加以聯系。這個疑難也成為了把愛因斯坦引向正確場方程的一條線索。

找到場方程后，愛因斯坦驚喜地發現，按照廣義相對論，行星繞日運動的軌道原本就不是封閉的橢圓，而是不斷在進動，水星軌道近日點的進動值恰為每百年43弧秒。他簡直高興極了，忍不住寫信給希爾伯特、洛倫茲等朋友，信中說：“我的新理論算出了水星軌道近日點的進動值，我簡直高興極了，你們知道我有多高興嗎？我一連幾個星期都高興得不知怎樣才好。”

水星軌道近日點進動的觀測值，與理論計算值符合得非常好，精確度極高，因此這一實驗是對廣義相對論的強有力支持，牛頓理論無論如何也解釋不了這一進動值。

光線偏折

廣義相對論預言，由于太陽造成周圍時空的彎曲，遙遠恒星的光在通過太陽附近時會發生偏折（圖2）。

然而，按照牛頓力學，遠方恒星射來的光子在路過太陽附近時，也會在太陽引力下發生偏折。不過，用牛頓理論算出的偏轉角只有廣義相對論算出的一半。所以，可以通過對光線偏折的觀測，檢驗廣義相對論是否正確，并對牛頓理論和廣義相對論進行比較。

這個實驗要進行兩次觀測。一次是拍攝太陽背后的星空，另一次是當太陽移開后拍攝同一天區的星空。然后將兩次拍攝的結果加以比較，比較膠片中恒星圖像位置的變化，可以算出偏折角。

太陽那么亮，它背后的星空怎么拍攝呢？天文學家建議在日全食的時候拍。日全食時月亮把太陽完全擋住，天空猶如黑夜，群星燦爛明亮，正好可以拍攝。那么，沒有太陽的同一星空怎么拍呢？大家知道，地球繞太陽公轉，半年后將轉到太陽的另一側。所以，白天太陽背后的星空，幾個月后將在夜間出現，拍攝完全沒有問題。

愛因斯坦的廣義相對論于1915年底發表，當時第一次世界大戰正在進行。1918年“一戰”結束，敵對雙方死了大量的人，英德兩國人民相互怨恨的情緒很強烈。這時，英國政府為了緩和英德兩國的敵對情緒，愿意拿出一筆錢資助一些有利于英德兩國人民友誼的項目。英國天體物理學家愛丁頓教授出來申請這筆錢，他說，廣義相對論是德國的愛因斯坦提出來的，現在由我們英國人去做光線偏折實驗，檢驗廣義相對論，這不就能增進英德人民之間的友誼了嗎！而且，1919年就有日全食，這一觀測實驗馬上就可以做。在西非的普林西比和巴西都能看到日全食。這樣，愛丁頓率領一個觀測隊去了普林西比，他的助手戴森帶領另一個隊去了巴西。

日全食那天，普林西比正好下雨，根本看不見太陽。愛丁頓急得不得了。幸虧在日全食結束前來了一陣風，刮開了烏云，露出了群星勉強可見的星空。愛丁頓抓緊時間，在6～8分鐘內拍攝了15張照片。巴西那邊天空晴朗，艷陽高照，戴森他們順利地拍下了日全食時的星空。可洗膠片時發現，陽光把底片盒曬得太燙了，膠片變了形，高興的情緒一下子跌落下來。不過，經過仔細修正，他們最終還是獲得了有用的數據。

用廣義相對論算出的光線偏折角為1.75弧秒，用牛頓理論算出的為0.875弧秒。愛丁頓小組測得的偏轉角為1.61弧秒，戴森小組測得的為1.98弧秒，都接近廣義相對論的預言值，遠離牛頓理論的預言值。所以，愛丁頓宣布，他們的觀測支持了愛因斯坦的廣義相對論。

這一消息傳到德國時，有人問愛因斯坦有什么感想，他叼著煙斗說：“我從來沒有想過會是別的結果?！?/p>