愛因斯坦又一次正確!太陽光譜的精確測量驗證了廣義相對論

愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論引入了時空的新概念,它表明大質量物體會引起附近時空的彎曲,而時空彎曲會引起時間變慢。但是在當時的技術條件下,能明顯測得到相對論效應的天體就只有太陽。那麼我們應該如何測量時間延緩這一效應呢?


愛因斯坦又一次正確!太陽光譜的精確測量驗證了廣義相對論


總不能把時鐘放在太陽表面上,即使真的能放上去,在地球上也沒法看到時鐘。愛因斯坦建議,可以利用太陽光的譜線來檢驗。如果時間變慢真的存在,那麼譜線將發生紅移,這就是所謂的引力紅移。

我們知道,光的頻率表示的是單位時間內振動的次數。在太陽表面,假設光振動一百次發出一百個光子,這些光子都被地球上的觀察者所接收。但是,兩地的時空彎曲程度不一樣,所經歷的時間也會不一樣。這就導致地球上的觀察者所觀測到的光的頻率更小,對應的波長會更長。這就是愛因斯坦廣義相對論所預言的引力紅移。


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但是,牛頓萬有引力理論也能預測引力紅移。牛頓把光看作是一種粒子,它會受到引力的影響。當它試圖脫離引力的束縛時,它會損失掉動能轉換為勢能。但是,由於光速的不變性,損失掉的動能只能表現在波長上。也就是說,光子逃離太陽越遠,它的波長就越長。

根據計算,牛頓理論和廣義相對論在一階近似的情況下是相等的,它們二者只有在二階的情況下才有差異。但是,以當時的技術條件,實驗物理學家只能測出一階的精度,因此無法鑑定這兩種理論哪種更符合實際。

事實上,測量太陽的引力紅移也是一件很棘手的事情。太陽表面的溫度非常高,原子熱運動產生的多普勒紅移會使譜線變寬,但是並不會使譜線移動。不僅如此,太陽表面的宏觀氣流也會引起多普勒紅移,這種紅移會導致譜線的移動,也就是說它會附加在引力紅移的效果上。此外,地球公轉、自轉還有太陽自轉也會對此產生影響。


愛因斯坦又一次正確!太陽光譜的精確測量驗證了廣義相對論


這些影響的疊加使觀測太陽的引力紅移變得非常困難。不過,一組科學家團隊另闢蹊徑,以前所未有的精度測量了太陽的引力紅移,驗證了愛因斯坦廣義相對論的預言,並將結果發表在《天文學與天體物理學》雜誌上。他們並不是直接對太陽進行觀測,而是使用了從月球反射的太陽光譜的觀測結果。


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事實上,引力紅移已經應用在我們生活中了。在現代,基本上每一件事都離不開導航的幫助,引力紅移對衛星導航具有重要影響,如果不把該理論引入,那麼該系統將不能運作。


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我們知道,衛星在高空中運行,其速度比較快,根據狹義相對論,它的原子鐘每天比地面慢7微秒。但是它所處的引力又較小,根據廣義相對論,它的原子鐘每天要快45微秒。總的下來就是,它的原子鐘每天要快38微秒。這小小的差距如果不進行修正,那麼我們的定位將偏差十萬八千里。


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