论文部分内容阅读
赵峥，1967年毕业于中国科技大学物理系，1981年于北京师范大学天文系获硕士学位，1987年于布鲁塞尔自由大学获博士学位。曾任北京师范大学研究生院副院长、物理系主任.中国引力与相对论天体物理学会理事长、中国物理学会理事。现为北京师范大学物理系教授，理论物理博士生导师、教育学博士生导师。
爱因斯坦在发表广义相对论时指出，有3个可以观测的实验能够证明广义相对论正确。这3个实验是引力红移、行星轨道近日点的进动和光线偏折。
引力红移
爱因斯坦指出，时空弯曲会使时间进程变慢。时空弯曲得越厉害，时间进程越慢。太阳附近的时空比地球附近的时空弯曲度大，所以太阳附近的时钟会走得比地球上的钟慢。不信的话，你可以在太阳表面放一个钟，然后用望远镜观测，并和地球上的钟进行比较。当然，这是开玩笑的话。太阳表面怎么放置时钟？就是放置好了你也不敢用望远镜看啊！那里太亮了，眼睛根本受不了。爱因斯坦说没有关系，太阳那里原来就放着钟，这种钟就是氢原子。
大家知道，每种原子都有特定的光谱，化学家们经常通过光谱分析鉴定化学元素。每种原子的光谱都由确定的若干根光谱线组成，每根光谱线又都有确定的频率。
爱因斯坦认为，每根光谱线都对应着原子内部特定的钟，光谱线的频率就是它对应的原子钟的频率。时间进程变慢，原子内部的钟会随着变慢，这时对应的光谱线的频率就会减小，波长就会增大，光谱线就会向光谱的红端移动，这就是光谱线的红移。
爱因斯坦预言时空弯曲会造成时间进程变慢，这样产生的红移称为引力红移。
太阳表面存在大量氢原子，广义相对论预言，由于那里的时间变慢，氢原子的光谱线将产生红移。可以观测太阳表面的氢光谱，测出其红移，并和地球实验室中的氢光谱进行比较。比较的结果与广义相对论的预言一致。
但要指出，按照牛顿理论，光子从太阳表面飞向地球，需要克服太阳引力场的势能，光子的能量会减小，这也将导致光子频率减小，光谱线也会发生红移。用万有引力定律算出的红移量与广义相对论的预言值相差不大。目前的观测精度尚不能测出二者的差异。
此外，太阳表面存在被称为太阳风的垂直升降气流，其产生的多普勒效应包含蓝移（上升气流引起）和红移（下降气流引起）。而且，太阳表面温度很高（约6 000℃左右），氢原子热运动剧烈，杂乱的热运动也会产生多普勒效应，导致杂乱的红移和蓝移。这些多普勒效应导致的谱线移动会叠加在谱线的引力红移上，使光谱线变宽，红移量不稳定。这些都增加了观测的困难。
所以说，引力红移是对广义相对论的支持，但精度还有待提高。
行星轨道近日点的进动
开普勒三定律指出，行星绕日运动的轨道是封闭的椭圆。牛顿的万有引力定律支持开普勒的结论，算出行星绕日运动的轨道确实是封闭的椭圆。但是天文观测早就发现，行星轨道并不是封闭的椭圆。这个椭圆会不断向前进动（图1）。对轨道近日点的观测能够精确确定轨道的进动值。
离太阳越近的行星，进动效应越大，所以天文学家经常以离太阳最近的行星——水星的轨道为例，研究轨道近日点的进动。经过长期观测，天文学家发现水星轨道近日点的进动值为每百年5 600弧秒，其中5：557.62弧秒的进动可以用太阳自转、其他行星的影响等各种天文因素的影响加以解释，而其余的43弧秒的进动得不到说明。这是广义相对论诞生之前就知道的事情。
19世纪的天文学家勒维叶，在与亚当斯分别成功预言海王星之后，又对水星轨道的这一异常进动产生了兴趣。勒维叶猜想是否存在一颗未知的、离太阳比水星还近的行星，那颗行星的存在和运动对水星轨道有影响，造成了这43弧秒的额外进动。他假定这颗未知行星的存在，反过来用水星轨道的进动推出了这颗星在天空的位置。他又去观测，有一次看见太阳表面有一个移动的黑点，他以为发现了这颗行星。由于这颗“行星”离太阳非常近，他称其为火神星。后来发现，那个黑点其实是个太阳黑子，火神星纯属子虚乌有。
到了爱因斯坦时代，水星轨道进动的这点偏差依然没有得到解释。爱因斯坦知道这一情况，非常希望自己的新理论能解决这个疑难，所以他在创建广义相对论的过程中，一直注意把新理论与这个疑难加以联系。这个疑难也成为了把爱因斯坦引向正确场方程的一条线索。
找到场方程后，爱因斯坦惊喜地发现，按照广义相对论，行星绕日运动的轨道原本就不是封闭的椭圆，而是不断在进动，水星轨道近日点的进动值恰为每百年43弧秒。他简直高兴极了，忍不住写信给希尔伯特、洛伦兹等朋友，信中说：“我的新理论算出了水星轨道近日点的进动值，我简直高兴极了，你们知道我有多高兴吗？我一连几个星期都高兴得不知怎样才好。”
水星轨道近日点进动的观测值，与理论计算值符合得非常好，精确度极高，因此这一实验是对广义相对论的强有力支持，牛顿理论无论如何也解释不了这一进动值。
光线偏折
广义相对论预言，由于太阳造成周围时空的弯曲，遥远恒星的光在通过太阳附近时会发生偏折（图2）。
然而，按照牛顿力学，远方恒星射来的光子在路过太阳附近时，也会在太阳引力下发生偏折。不过，用牛顿理论算出的偏转角只有广义相对论算出的一半。所以，可以通过对光线偏折的观测，检验广义相对论是否正确，并对牛顿理论和广义相对论进行比较。
这个实验要进行两次观测。一次是拍摄太阳背后的星空，另一次是当太阳移开后拍摄同一天区的星空。然后将两次拍摄的结果加以比较，比较胶片中恒星图像位置的变化，可以算出偏折角。
太阳那么亮，它背后的星空怎么拍摄呢？天文学家建议在日全食的时候拍。日全食时月亮把太阳完全挡住，天空犹如黑夜，群星灿烂明亮，正好可以拍摄。那么，没有太阳的同一星空怎么拍呢？大家知道，地球绕太阳公转，半年后将转到太阳的另一侧。所以，白天太阳背后的星空，几个月后将在夜间出现，拍摄完全没有问题。
爱因斯坦的广义相对论于1915年底发表，当时第一次世界大战正在进行。1918年“一战”结束，敌对双方死了大量的人，英德两国人民相互怨恨的情绪很强烈。这时，英国政府为了缓和英德两国的敌对情绪，愿意拿出一笔钱资助一些有利于英德两国人民友谊的项目。英国天体物理学家爱丁顿教授出来申请这笔钱，他说，广义相对论是德国的爱因斯坦提出来的，现在由我们英国人去做光线偏折实验，检验广义相对论，这不就能增进英德人民之间的友谊了吗！而且，1919年就有日全食，这一观测实验马上就可以做。在西非的普林西比和巴西都能看到日全食。这样，爱丁顿率领一个观测队去了普林西比，他的助手戴森带领另一个队去了巴西。
日全食那天，普林西比正好下雨，根本看不见太阳。爱丁顿急得不得了。幸亏在日全食结束前来了一阵风，刮开了乌云，露出了群星勉强可见的星空。爱丁顿抓紧时间，在6～8分钟内拍摄了15张照片。巴西那边天空晴朗，艳阳高照，戴森他们顺利地拍下了日全食时的星空。可洗胶片时发现，阳光把底片盒晒得太烫了，胶片变了形，高兴的情绪一下子跌落下来。不过，经过仔细修正，他们最终还是获得了有用的数据。
用广义相对论算出的光线偏折角为1.75弧秒，用牛顿理论算出的为0.875弧秒。爱丁顿小组测得的偏转角为1.61弧秒，戴森小组测得的为1.98弧秒，都接近广义相对论的预言值，远离牛顿理论的预言值。所以，爱丁顿宣布，他们的观测支持了爱因斯坦的广义相对论。
这一消息传到德国时，有人问爱因斯坦有什么感想，他叼着烟斗说：“我从来没有想过会是别的结果。”
爱因斯坦在发表广义相对论时指出，有3个可以观测的实验能够证明广义相对论正确。这3个实验是引力红移、行星轨道近日点的进动和光线偏折。
引力红移
爱因斯坦指出，时空弯曲会使时间进程变慢。时空弯曲得越厉害，时间进程越慢。太阳附近的时空比地球附近的时空弯曲度大，所以太阳附近的时钟会走得比地球上的钟慢。不信的话，你可以在太阳表面放一个钟，然后用望远镜观测，并和地球上的钟进行比较。当然，这是开玩笑的话。太阳表面怎么放置时钟？就是放置好了你也不敢用望远镜看啊！那里太亮了，眼睛根本受不了。爱因斯坦说没有关系，太阳那里原来就放着钟，这种钟就是氢原子。
大家知道，每种原子都有特定的光谱，化学家们经常通过光谱分析鉴定化学元素。每种原子的光谱都由确定的若干根光谱线组成，每根光谱线又都有确定的频率。
爱因斯坦认为，每根光谱线都对应着原子内部特定的钟，光谱线的频率就是它对应的原子钟的频率。时间进程变慢，原子内部的钟会随着变慢，这时对应的光谱线的频率就会减小，波长就会增大，光谱线就会向光谱的红端移动，这就是光谱线的红移。
爱因斯坦预言时空弯曲会造成时间进程变慢，这样产生的红移称为引力红移。
太阳表面存在大量氢原子，广义相对论预言，由于那里的时间变慢，氢原子的光谱线将产生红移。可以观测太阳表面的氢光谱，测出其红移，并和地球实验室中的氢光谱进行比较。比较的结果与广义相对论的预言一致。
但要指出，按照牛顿理论，光子从太阳表面飞向地球，需要克服太阳引力场的势能，光子的能量会减小，这也将导致光子频率减小，光谱线也会发生红移。用万有引力定律算出的红移量与广义相对论的预言值相差不大。目前的观测精度尚不能测出二者的差异。
此外，太阳表面存在被称为太阳风的垂直升降气流，其产生的多普勒效应包含蓝移（上升气流引起）和红移（下降气流引起）。而且，太阳表面温度很高（约6 000℃左右），氢原子热运动剧烈，杂乱的热运动也会产生多普勒效应，导致杂乱的红移和蓝移。这些多普勒效应导致的谱线移动会叠加在谱线的引力红移上，使光谱线变宽，红移量不稳定。这些都增加了观测的困难。
所以说，引力红移是对广义相对论的支持，但精度还有待提高。
行星轨道近日点的进动
开普勒三定律指出，行星绕日运动的轨道是封闭的椭圆。牛顿的万有引力定律支持开普勒的结论，算出行星绕日运动的轨道确实是封闭的椭圆。但是天文观测早就发现，行星轨道并不是封闭的椭圆。这个椭圆会不断向前进动（图1）。对轨道近日点的观测能够精确确定轨道的进动值。
离太阳越近的行星，进动效应越大，所以天文学家经常以离太阳最近的行星——水星的轨道为例，研究轨道近日点的进动。经过长期观测，天文学家发现水星轨道近日点的进动值为每百年5 600弧秒，其中5：557.62弧秒的进动可以用太阳自转、其他行星的影响等各种天文因素的影响加以解释，而其余的43弧秒的进动得不到说明。这是广义相对论诞生之前就知道的事情。
19世纪的天文学家勒维叶，在与亚当斯分别成功预言海王星之后，又对水星轨道的这一异常进动产生了兴趣。勒维叶猜想是否存在一颗未知的、离太阳比水星还近的行星，那颗行星的存在和运动对水星轨道有影响，造成了这43弧秒的额外进动。他假定这颗未知行星的存在，反过来用水星轨道的进动推出了这颗星在天空的位置。他又去观测，有一次看见太阳表面有一个移动的黑点，他以为发现了这颗行星。由于这颗“行星”离太阳非常近，他称其为火神星。后来发现，那个黑点其实是个太阳黑子，火神星纯属子虚乌有。
到了爱因斯坦时代，水星轨道进动的这点偏差依然没有得到解释。爱因斯坦知道这一情况，非常希望自己的新理论能解决这个疑难，所以他在创建广义相对论的过程中，一直注意把新理论与这个疑难加以联系。这个疑难也成为了把爱因斯坦引向正确场方程的一条线索。
找到场方程后，爱因斯坦惊喜地发现，按照广义相对论，行星绕日运动的轨道原本就不是封闭的椭圆，而是不断在进动，水星轨道近日点的进动值恰为每百年43弧秒。他简直高兴极了，忍不住写信给希尔伯特、洛伦兹等朋友，信中说：“我的新理论算出了水星轨道近日点的进动值，我简直高兴极了，你们知道我有多高兴吗？我一连几个星期都高兴得不知怎样才好。”
水星轨道近日点进动的观测值，与理论计算值符合得非常好，精确度极高，因此这一实验是对广义相对论的强有力支持，牛顿理论无论如何也解释不了这一进动值。
光线偏折
广义相对论预言，由于太阳造成周围时空的弯曲，遥远恒星的光在通过太阳附近时会发生偏折（图2）。
然而，按照牛顿力学，远方恒星射来的光子在路过太阳附近时，也会在太阳引力下发生偏折。不过，用牛顿理论算出的偏转角只有广义相对论算出的一半。所以，可以通过对光线偏折的观测，检验广义相对论是否正确，并对牛顿理论和广义相对论进行比较。
这个实验要进行两次观测。一次是拍摄太阳背后的星空，另一次是当太阳移开后拍摄同一天区的星空。然后将两次拍摄的结果加以比较，比较胶片中恒星图像位置的变化，可以算出偏折角。
太阳那么亮，它背后的星空怎么拍摄呢？天文学家建议在日全食的时候拍。日全食时月亮把太阳完全挡住，天空犹如黑夜，群星灿烂明亮，正好可以拍摄。那么，没有太阳的同一星空怎么拍呢？大家知道，地球绕太阳公转，半年后将转到太阳的另一侧。所以，白天太阳背后的星空，几个月后将在夜间出现，拍摄完全没有问题。
爱因斯坦的广义相对论于1915年底发表，当时第一次世界大战正在进行。1918年“一战”结束，敌对双方死了大量的人，英德两国人民相互怨恨的情绪很强烈。这时，英国政府为了缓和英德两国的敌对情绪，愿意拿出一笔钱资助一些有利于英德两国人民友谊的项目。英国天体物理学家爱丁顿教授出来申请这笔钱，他说，广义相对论是德国的爱因斯坦提出来的，现在由我们英国人去做光线偏折实验，检验广义相对论，这不就能增进英德人民之间的友谊了吗！而且，1919年就有日全食，这一观测实验马上就可以做。在西非的普林西比和巴西都能看到日全食。这样，爱丁顿率领一个观测队去了普林西比，他的助手戴森带领另一个队去了巴西。
日全食那天，普林西比正好下雨，根本看不见太阳。爱丁顿急得不得了。幸亏在日全食结束前来了一阵风，刮开了乌云，露出了群星勉强可见的星空。爱丁顿抓紧时间，在6～8分钟内拍摄了15张照片。巴西那边天空晴朗，艳阳高照，戴森他们顺利地拍下了日全食时的星空。可洗胶片时发现，阳光把底片盒晒得太烫了，胶片变了形，高兴的情绪一下子跌落下来。不过，经过仔细修正，他们最终还是获得了有用的数据。
用广义相对论算出的光线偏折角为1.75弧秒，用牛顿理论算出的为0.875弧秒。爱丁顿小组测得的偏转角为1.61弧秒，戴森小组测得的为1.98弧秒，都接近广义相对论的预言值，远离牛顿理论的预言值。所以，爱丁顿宣布，他们的观测支持了爱因斯坦的广义相对论。
这一消息传到德国时，有人问爱因斯坦有什么感想，他叼着烟斗说：“我从来没有想过会是别的结果。”