
昨天深夜,也就是北美的早晨,可以看到一场长达5.5小时的罕见天象:水星凌日,下一次看到要等到13年之后的2032年了。
爱因斯坦在1916年提出了三个检验广义相对论的实验,后来被称作“经典广义相对论实验”:水星轨道近日点的进动正是其中之一。
水星凌日
1915年广义相对论最初被发表之时,并没有得到稳固的实验证据支持,已知道的是它正确地解释了水星近日点的反常进动,并且在哲学层面,它令人满意地结合了艾萨克·牛顿的万有引力定律和阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论。1919年,光波在引力场中的轨迹被发现似乎会弯曲,正如广义相对论所预测;但一直要等到1959年,一系列精确度实验才开始进行,从而准确地检验了许多广义相对论在弱引力场极限中的预测,并大大降低了理论于现实偏差的可能性。1974年起,拉塞尔·赫尔斯、约瑟夫·泰勒等人研究脉冲双星的物理行为,其所受到的引力比在太阳系之中要大得多。无论是太阳系中的弱引力场极限,或是脉冲星系统中更强的引力场,广义相对论的预测已有相当优良的实验证据。
爱因斯坦十字
爱因斯坦环
在牛顿物理中,一个独立天体围绕一个带质量球体公转时,这二体系统会描绘出一个椭圆,带质量球体位于椭圆的焦点。两个天体最接近的那一点为近心点(围绕太阳的近心点为近日点),其位置固定。在太阳系中有若干效应导致行星的近日点有进动,围绕着太阳公转。这主要是因为行星不断对其他行星进行轨道上的摄动。另一个效应是因为太阳的扁椭球形状,但这只造成很小的影响。水星的实际轨迹和牛顿动力学所预测的有所偏差。水星轨道近日点的反常进动率最先于1859年由奥本·勒维耶在一个天体力学问题中发现。他分析了从1697年至1848年的水星凌日的时间纪录,并发现计算出的进动每100回归年便会和牛顿理论预测的相差38弧秒(之后重新估计为 43弧秒)。解释这偏差的一些论述通常都会带来更多的问题,最终都不能被学术界接受。广义相对论中,引力是由时空的弯曲造成的。这机制能够解释椭圆形轨道为什么会在轨道平面上改变取向,从而造成近日点的进动。爱因斯坦证明了广义相对论预测出的数值完全符合观测所得的近日点位移数值。这个有力的证据促使了广义相对论被学术界接受。
在大质量天体(星系)的观察时,引力的透镜作用更加明显。上面的图就是著名的爱因斯坦环以及爱因斯坦十字,它们都是光被引力改变之后我们观察到的异象,只能由广义相对论来解释。
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