广义相对论是怎么被证明的？

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》。

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发表于 2015-09-28 00:00
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