广义相对论是怎么被证明的?

  【天极网IT新闻频道】广义相对论是爱因斯坦在1915年提出来的一个精确描述牛顿万有引力的理论。这个理论比牛顿万有引力更加优美，也更加精确。

  当时正值第一次世界大战期间，爱因斯坦在德国提出了这个理论。

  因为这个理论可以解释水星近日点的进动，所以大家对这个理论还是有点相信的，但物理学家需要找到更多的证据来判断此理论是否正确。(进动，一个自转的物体受外力作用，导致其自转轴绕某一中心旋转，也叫做旋进。)

  星光偏析实验

  于是，1919年，第一次世界大战结束的时候，马上有几个英国物理学家投入到了检验广义相对论理论的实验之中，这个实验就是星光偏折实验。

  星星，在夜空中眨着眼睛。其实，这些我们人类肉眼能看到的星星，至少离我们地球有几光年甚至更远。

  那么远的距离，对地球人来说，星星发过来的光就是一束平行光线。但是，因为地球是在太阳的引力场中运动的，所以我们可以使用广义相对论的语言：这束平行光线也是一根“类光测地线”。因为广义相对论使用的数学工具是微分几何学，所以测地线的方程很容易用微分几何的语言写出，因此可以从数学的角度来描述星光在引力场中的运动轨迹。

  那么，星光偏折又是怎么回事情呢？

  原来，在广义相对论中，引力场的存在被等价为时空的弯曲，所以，光线在太阳的引力作用下走出来的这条“类光测地线”在空间上看起来就是弯曲的——这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断了，这是光的折射现象。星光偏折也类似一种光的折射现象。

  那么，如果物理学家能测量出星光被太阳的引力场偏折了多少，就可以来检验爱因斯坦的广义相对论到底正确不正确了。

  在日全食下观测星光偏折

  当时相信爱因斯坦广义相对论的物理学家凤毛麟角，很多人不懂他的理论，因为这个理论对数学要求太高，而且在物理上很反传统。所以，1919年，这个实验刚开始的时候，很多外行物理学家对实验能结果的看法可谓莫衷一是。

  这个实验应该怎么做呢？

  我们可以把地球绕太阳的运动看成一个椭圆，那么，某颗恒星与地球的连线交这个椭圆于两个点，我们可以在这两个点上拍摄星星的照片，然后把这两张照片进行对比。(这两点，一个点是地球在太阳与恒星之间，另外一个点是太阳在地球与恒星之间，位置关系是不同的。)

  当太阳在地球与恒星之间的时候，太阳光线太亮，恒星发的光会被太阳光淹没，根本就测不出来。所以，需要找到日全食的时候，这个时候太阳光不见了，恒星发的光可以在地球上拍照拍出来。

  为了进行1919年的日全食观测，英国的物理学家们共准备了三架望远镜，包括两架10英寸口径的，一架4英寸口径的备用望远镜。

  爱丁顿带领的剑桥大学小组在非洲西岸的普林西比岛(Principe)使用一架10英寸的，克罗姆林带领的格林威治天文台小组在巴西的索布拉尔(Sobral)使用另两架。

  由于云彩的影响，爱丁顿小组获得的数据不多，只有两张可用的底片。而且，因为当地轮船公司即将罢工，他们只好提前离去，所以他们缺乏在当地拍摄的同一高度同一天区的对照底片。最后爱丁顿拍了一张另一天区的照片，然后在英国拍摄对照底片。

  克罗姆林小组的10英寸望远镜是在夜间对好焦距的。当早晨发生日食时，由于温度已经升高，热胀冷缩导致望远镜对焦不准，因此星象大多不清晰。 4英寸望远镜得到的底片效果则比较好。

  4英寸望远镜底片上共有7颗可用恒星，得到的偏折角是1.98 角秒;爱丁顿小组10英寸望远镜上有5颗可用星，得到的结果是1.61 角秒。这两组数据是当时爱丁顿等人公布的数据，具体数据到底有没有被动手脚，科学史上存在一定的争议。

  根据广义相对论，远处恒星发出的光线经过大质量的天体如太阳时，由于引力的作用将发生偏折;日全食期间，太阳被遮蔽，这时拍摄的恒星，与平时在夜间拍摄的同一天区的恒星进行比对，会发现星体的位置发生变化。

  实际测量的时候，不同的恒星偏折角不同。通过数据拟合，给出在太阳边缘处的偏折角。在建立完整的广义相对论后，爱因斯坦计算发现在太阳边缘处星光的偏折角是1.74角秒。

  所以，爱丁顿等人公布的数据与爱因斯坦计算出来的数据是接近的。这意味这什么？

  这意味这爱丁顿等人的实验是支持广义相对论的。

  这对爱因斯坦后来在全世界声名鹊起，起到了十分重要的作用。后来有人还把这个事情拍摄成一部电影，叫做《爱因斯坦与爱丁顿》。

  “科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

  本文由科普中国出品，转载请注明“来源：科普中国”。

  出品：科普中国

  制作：北京纳亚时代广告有限公司

  监制：中国科学院计算机网络信息中心