廣義相對論是怎么被證明的？

廣義相對論是愛因斯坦在1915年提出來的一個精確描述牛頓萬有引力的理論。這個理論比牛頓萬有引力更加優美，也更加精確。

當時正值第一次世界大戰期間，愛因斯坦在德國提出了這個理論。

因為這個理論可以解釋水星近日點的進動，所以大家對這個理論還是有點相信的，但物理學家需要找到更多的證據來判斷此理論是否正確。（進動，一個自轉的物體受外力作用，導致其自轉軸繞某一中心旋轉，也叫做旋進。）

星光偏析實驗

于是，1919年，第一次世界大戰結束的時候，馬上有幾個英國物理學家投入到了檢驗廣義相對論理論的實驗之中，這個實驗就是星光偏折實驗。

星星，在夜空中眨著眼睛。其實，這些我們人類肉眼能看到的星星，至少離我們地球有幾光年甚至更遠。

那么遠的距離，對地球人來說，星星發過來的光就是一束平行光線。但是，因為地球是在太陽的引力場中運動的，所以我們可以使用廣義相對論的語言：這束平行光線也是一根“類光測地線”。因為廣義相對論使用的數學工具是微分幾何學，所以測地線的方程很容易用微分幾何的語言寫出，因此可以從數學的角度來描述星光在引力場中的運動軌跡。

那么，星光偏折又是怎么回事情呢？

原來，在廣義相對論中，引力場的存在被等價為時空的彎曲，所以，光線在太陽的引力作用下走出來的這條“類光測地線”在空間上看起來就是彎曲的——這非常像一根筷子插在有水的杯子里，在水面附近筷子好像折斷了，這是光的折射現象。星光偏折也類似一種光的折射現象。

那么，如果物理學家能測量出星光被太陽的引力場偏折了多少，就可以來檢驗愛因斯坦的廣義相對論到底正確不正確了。

在日全食下觀測星光偏折

當時相信愛因斯坦廣義相對論的物理學家鳳毛麟角，很多人不懂他的理論，因為這個理論對數學要求太高，而且在物理上很反傳統。所以，1919年，這個實驗剛開始的時候，很多外行物理學家對實驗能結果的看法可謂莫衷一是。

這個實驗應該怎么做呢？

我們可以把地球繞太陽的運動看成一個橢圓，那么，某顆恒星與地球的連線交這個橢圓于兩個點，我們可以在這兩個點上拍攝星星的照片，然后把這兩張照片進行對比。（這兩點，一個點是地球在太陽與恒星之間，另外一個點是太陽在地球與恒星之間，位置關系是不同的。）

當太陽在地球與恒星之間的時候，太陽光線太亮，恒星發的光會被太陽光淹沒，根本就測不出來。所以，需要找到日全食的時候，這個時候太陽光不見了，恒星發的光可以在地球上拍照拍出來。

為了進行1919年的日全食觀測，英國的物理學家們共準備了三架望遠鏡，包括兩架10英寸口徑的，一架4英寸口徑的備用望遠鏡。

愛丁頓帶領的劍橋大學小組在非洲西岸的普林西比島（Principe）使用一架10英寸的，克羅姆林帶領的格林威治天文臺小組在巴西的索布拉爾（Sobral）使用另兩架。

由于云彩的影響，愛丁頓小組獲得的數據不多，只有兩張可用的底片。而且，因為當地輪船公司即將罷工，他們只好提前離去，所以他們缺乏在當地拍攝的同一高度同一天區的對照底片。最后愛丁頓拍了一張另一天區的照片，然后在英國拍攝對照底片。

克羅姆林小組的10英寸望遠鏡是在夜間對好焦距的。當早晨發生日食時，由于溫度已經升高，熱脹冷縮導致望遠鏡對焦不準，因此星象大多不清晰。

4英寸望遠鏡得到的底片效果則比較好。4英寸望遠鏡底片上共有7顆可用恒星，得到的偏折角是1.98 角秒；愛丁頓小組10英寸望遠鏡上有5顆可用星，得到的結果是1.61 角秒。這兩組數據是當時愛丁頓等人公布的數據，具體數據到底有沒有被動手腳，科學史上存在一定的爭議。

根據廣義相對論，遠處恒星發出的光線經過大質量的天體如太陽時，由于引力的作用將發生偏折；日全食期間，太陽被遮蔽，這時拍攝的恒星，與平時在夜間拍攝的同一天區的恒星進行比對，會發現星體的位置發生變化。

實際測量的時候，不同的恒星偏折角不同。通過數據擬合，給出在太陽邊緣處的偏折角。在建立完整的廣義相對論后，愛因斯坦計算發現在太陽邊緣處星光的偏折角是1.74角秒。

所以，愛丁頓等人公布的數據與愛因斯坦計算出來的數據是接近的。這意味這什么？

這意味這愛丁頓等人的實驗是支持廣義相對論的。

這對愛因斯坦后來在全世界聲名鵲起，起到了十分重要的作用。后來有人還把這個事情拍攝成一部電影，叫做《愛因斯坦與愛丁頓》。

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發表于 2015-09-28 00:00
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