验证广义相对论
广义相对论还有很多内容,很快我们会讨论到其他部分,它们花费了更长时间才建立起来。可是,单等效原理就解释了广义相对论的许多结果。一旦爱因斯坦认识到在加速参照系里引力可以被排除,他便通过假设一个加速系统等同于一个有引力的系统而算出引力的作用。这使得他能够计算一些有趣系统里的引力作用,而别人则以这些系统来检验他的结论。
现在,我们来探讨几个最为重要的实验验证。
第一个是光的引力红移,红移使我们探测的光波频率低于其发出的频率。你可能遇到过类似的效应,比如,当一辆摩托车从你身边呼啸而过时,你听到的声音先是升高,而后降低。
有很多种方法可以帮助我们理解引力红移的起因,但最简单的可能还是打比方。设想你向空中抛一个球,球上升的速度会因重力的作用减慢下来,但是,尽管球速减慢了,球的能量并未损失,它已转化为势能,然后,当球下落时,作为动能被释放出来。
同样的推理也适用于光的粒子——光子。就如一个球被抛向空中失去了冲力一样,当光子由引力场逃逸时也会失去动力。这意味着光子和球一样,在挣脱引力场时失去了动能但获得了势能,但是光子不会像球那样慢下来,因为光速是不变的。抢先说一下,下章我们会看到量子力学的一个结果,光子的频率下降时,其能量就会下降。一个穿过变化的引力场的光子所经历的正是这样:为了降低其能量,光子必须降低频率。这种频率的降低就是引力的红移。
反过来说,一个正朝着引力源方向运动的光子,其频率就会增加。1965年,加拿大物理学家罗伯特·庞德(Robert Pound)和他的学生格伦·雷布卡(Glen Rebka)通过研究由伽马射线辐射源放射出的伽马射线测量了这种效应。他们把这个伽马射线辐射装置放在哈佛大学杰弗逊物理实验室的“塔”顶上,现在我就在这里工作(尽管它是整座建筑的一部分,但杰弗逊实验室高耸的阁楼连同它下面的几层统称为“塔”)。塔顶和塔底的引力场会有轻微的差异,因为塔顶离地球中心会稍远一些。测量这种差别最好是能找个高塔,那样会使伽马射线的发射(塔顶部)和探测(地下室)之间的高度差达到最大。但即使塔只有三层,加一个尖顶,再加上塔尖上往下俯瞰的窗户,一共74英尺高,庞德和雷布卡还是测量出了被放射和被吸收的光子之间的频率差异,精确得令人难以置信:一千万亿分之五而已。他们因此确认,广义相对论对引力红移的预言可达到1%的精度。
等效原理第二个实验观察结果是光的偏折。引力既能吸引能量也能吸引质量,毕竟,著名的E=mc2关系式意味着能量与质量是密切相关的,如果质量经受引力,那么能量也一样。
太阳的引力影响质量,同样也会影响光的轨迹。爱因斯坦理论预言,在太阳的影响下光会产生偏折,并预言了其确切的偏折量,这一预言在1919年的日全食时得到了验证。
英国科学家阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)组织了两支探险队,一支到西非海岸的普林西比岛,一支到巴西的索布拉尔,那是观测日食的最佳地点。他们的目的是拍摄太阳周围的恒星,以检验看似离太阳很近的恒星相对于它们通常的位置是否会产生偏移。如果恒星看上去真的位置移动了,那就意味着光是沿着弯曲的轨迹运行的(科学家们需要在日全食时进行测量,这样就不会因为太阳过强的光芒掩盖了黯淡的星光)。可以肯定的是,恒星恰好出现在那个“错误的”位置上,测到的正确的偏折角度提供了支持爱因斯坦广义相对论强有力的证据。
令人难以置信的是,光的偏折已被明确确立并理解,现在已成了人们的探索工具,用于探索宇宙的质量分布,并在一些已燃烧殆尽、不再发光的小恒星里寻找暗物质,这些物质就像是漆黑夜里的黑猫,是很难被发现的。观测它们唯一的方式就是通过引力作用。
引力透镜是天文学家了解暗物质的一种方式。暗物质与所有其他东西一样,通过引力相互作用。尽管燃尽的恒星自身已不发光,但在它们身后(从我们的角度来看)可能会有亮的物质,它们发出的光是我们能够看到的。如果光的路途中没有暗恒星,那么光就会直射过来,但是,一颗明亮恒星发出的光如果要经过暗恒星,它就会发生弯折。由左侧经过的光线会比从右侧经过的光线更明显地折向相反方向;而从顶部经过的光线会比从底部经过的光线更明显地向对侧偏折。这样,在暗物质后面的一个明亮星体就会产生一个多重影像,这种作用就被称做是引力透镜。图5-3就是这样一个例子,它给出了当恒星光线因中间的大质量物体而向不同方向偏折时,所产生的多重影像。
一个遥远、明亮的类星体在经过前面一个大质量星云时,光线会折向不同方向,从而形成“爱因斯坦十字”的多重影像。
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