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當引力場較強,觀測區域變大時,彎曲的效應就得考慮,否則誤差太大。舉例類比,在北京市區旅行,你不要考慮地面彎曲問題;但是北京到海南島的大尺度旅行,緯度引起的地面彎曲就值得考慮了。所以在引力場下,狹義相對論(SR)+牛頓引力理論,變成了廣義相對論(GR)。

當引力場極其微弱時,GR回歸SR;當運動速度較慢時,GR回到牛頓引力理論。因此廣義相對論是以往理論成就的登峰造極,它不違反傳統的低速弱引力的實驗事實。

換言之,狹義相對論和牛頓引力定律僅僅是愛因斯坦廣義相對論的近似情況。那麼,廣義相對論的獨特新結論和預言将是什麼情況?

炮彈在引力場下走抛物線,這是引力場造成的,即彎曲時空軌道運動的表現。如果沒有引力場,或者沿着地心徑向運動,那麼炮彈走直線了。顯然,牛頓蘋果的下落屬于後者的地心指向運動情況。

就此,愛因斯坦廣義相對論提出了三個可以驗證的實驗,并在其後由天文學家和物理學家實現了驗證。這就是引力紅移,光線偏折和水星近日點進動。後來又增加了第四個驗證,即雷達回波的時間延遲。

第30章亞特蘭蒂斯城的星際旅途

引力紅移,廣義相對論認為,引力勢強的地方,固有時間的流逝速度慢,也就是說離天體越近,時間越慢。

這樣,天體表面原子發出的光周期變長,由于光速不變,相應的頻率變小,就會向光譜中紅光方向移動,稱為引力紅移。宇宙中有很多緻密的天體,可以測量它們發出的光的頻率,并與地球的相應原子發出的光作比較,發現紅移量與相對論預言一緻。

上世紀60年代初,物理學家在地球引力場中利用伽瑪射線的無反沖共振吸收效應(穆斯堡爾效應)測量了光垂直傳播産生的紅移,結果與廣義相對論預言一緻。按照光的波動說,光在引力場中不應該有任何偏折,按半經典式的“量子論加牛頓引力論“的混合概念,用普朗克公式E=hv和質能公式E=Mc^2求出光子的質量,再用牛頓萬有引力定律計算得到太陽附近的光的偏折角,是約0.87角秒。而由廣義相對論計算得到的偏折角是1.75角秒,為前者的兩倍。

1919年,一戰剛結束,英國科學家愛丁頓領導的兩支考察隊,利用跨大西洋日全食的機會觀測,得到的結果約為1.7角秒,而且剛好在相對論實驗誤差範圍之内,引起誤差的主要原因可能是太陽大氣對光線的偏折。、

在現代,通過射電望遠鏡可以觀測類星體的射電信号在太陽引力場中的偏折,而不必等待日全食這種稀有的機會。高精度的測量結果進一步證實了廣義相對論的結論。、

進一步,當星體光源發出的光在引力場(星系及黑洞)附近經過時,光線會像通過透鏡一樣發生彎曲,當光路經過引力場不同位置時,這導緻地面觀測者看到若幹個星體的成像,此類引力透鏡現象極其普遍地被天文學家觀測到。

水星近日點進動,天文觀測記錄了水星近日點(橢圓軌道短軸位置)每百年移動5600角秒,研究者曾經考慮了各種因素,根據牛頓理論隻能解釋其中的5557角秒,剩餘的43角秒不知從何而來,無法解釋。廣義相對論的計算結果與平方反比的萬有引力定律有所差異,這一差異剛好使水星的近日點每百年移動43角秒。

雷達回波時間延遲,廣義相對論認為光子靠近引力場時,就會發生時間延遲效應。光線軌迹在引力場中彎曲,使得其路徑延長。

這種的彎曲現象可以等價地看成是一種折射,相當于有效光速減慢,因此從空間某一點發出的信号,如果途經太陽附近,到達地球的時間将有所延遲。這一想法首先由美國物理學家夏比洛(Shapiro)于1964年提出,由此來檢驗廣義相對論是否正确。從地球向行星發射雷達信号,接收行星反射的信号,測量信号往返的時間。

如果太陽正好處于行星和地球的連線,那麼信号往返時間較沒有太陽的情況變長。如此,可以檢驗空間是否發生了彎曲,是否有時間延遲。、

1960年代美國物理學家克服重重困難,完成了有關實驗。研究小組先後對水星、金星與火星進行了雷達實驗,證明雷達回波确有延遲現象,太陽質量導緻的雷達波往返的時間延遲将達到200毫秒左右,結果與廣義相對論預言相符。近年研究人員試驗月球作為反射靶,實驗精度有所改善,所得結果與廣義相對論理論值一緻。

2003年天文學家利用卡西尼号土星探測器,重複先前的實驗,測量精度在0.002%範圍内觀測與理論一緻,這是迄今為止精度最高的廣義相對論實驗驗證。此外,在毫秒脈沖星雙星系統的計時觀測中,來自星體的脈沖信号到達地球的時間存在延遲,這與廣義相對論引力時間延遲的影響一緻。

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