广义相对论是如何被证明的？10

本系列文章预计会有10个章节，这套文献将系统的讲述物理学本身，今天是第一季第10篇，也是最后一篇！

当黎曼几何的数学理论让爱因斯坦提出了广义相对论之后，人们对物理学的认知再次上升到一个认知！

引力的本质是时空的弯曲，而之所以地球会绕着太阳运动，那是因为太阳的质量相对地球太大，使得太阳周围的空间弯曲，而地球就是在太阳压弯的测地线上运行而已。

这就不难看出，黑洞为什么有很强的吸引力，并有一个巨大的光环。那是因为黑洞的质量太大，使得周围的时空严重变形，只有附近的星球 脱离不了黑洞吸引就会掉入黑洞中，并放出电极辐射，产生一个巨大光环。

爱因斯坦是这么解释的，时空就像一个弹性橡胶，当一个巨大质量的物质，比如太阳或地球出现在弹性橡胶介质中，周边就会产生一个很大的“深阱效应”，导致弹性橡胶发生弯曲，这是一种几何效应！

所以，引力就是几何！引力就是空间和时间的弯曲。一个苹果从树上掉下来，牛顿说它是受到万有引力，这是一个匀加速直线运动。

按照广义相对论，爱因斯坦说这根本不是什么力，时空是弯曲的，万有引力是时空弯曲的效应。后来，美国物理学家惠勒这样描述引力时空效应：“物质告诉空间如何弯曲；空间告诉物质如何运动。”

01 光线也会被弯曲

爱因斯坦提出，既然引力和加速度是等效的。那是不是时间和光线的轨迹都要被引力弯曲。

于是，爱因斯坦进一步大胆地预测，如果空间本身是弯曲的，我们就可以观测到光线在时空中运行是以曲线前进的，这已经被后人的无数实验反复证明。光线会采取两点之间的最短时间路径运动。

光为什么会弯曲？因为光要走最短的路径。在一个弯曲的空间里，光的最短路径看起来就像一条曲线。这好比在一个篮球上的两点之间画一条最短的线，看上去就是一条曲线。

时空弯曲的程度，是由宇宙中物质的分布决定的：一个区域内的物质密度越大，时空的曲率也就越大。

爱因斯坦提出引力使光线弯曲后，预言在太阳背后经过的恒星所发出的光，在经过太阳时会由于太阳的引力而产生弯曲。过了不到两年，天文观察证实了这个发现。这一预言在1919年发生日全食所进行的观测实验中得到了证实，爱因斯坦因而一夜之间举世闻名。

这是一个划时代的观念上的大突破！

02 广义相对论的三大证明

a 引力红移

物理科学上，都擅长使用相对参考法来测量被测的实验，比如，现代天文学家是通过射频天文望远镜来探索星际，而我们接受到的只是辐射和波长等参考因素的变量，最后综合这些变量来逆合成一个“想象”的结果。

引力红移也是通过这种方法做的，引力红移，指的是在强磁场中原子激发出的光逃脱引力时，光的波长会变长。变长的波使光子移动到了电磁光谱的红外端。

爱因斯坦认为，太阳表面本来就有钟，每个原子的光谱线都是有确定的光谱线，每个光谱线就表示原子当中有一个以这样频率在振荡的钟。

爱因斯坦说，太阳表面有很多氢元素，我们地球实验室也有氢。我们可以拍太阳光谱中的氢光谱，跟地球实验室的氢光谱来比较，这样就会发现，由于太阳表面的钟变慢，所以太阳上氢光谱的振动频率也要变慢，所以太阳的所有光谱线会向红端移动，频率减小，波长增大。

b 水星运动

在爱因斯坦还没出生的时候，牛顿经典力学还存在一个bug，那就是它还不能完全解释水星轨道的异常行为。水星绕太阳的轨道不是一个封闭的轨道，水星近日点的进动是开普勒算出来的。

行星绕日的运动是椭圆，但实际上行星绕日的运动都不是封闭的椭圆，它会一圈一圈转起来，近日点在移动。离太阳越近的行星，进动得越厉害，它有天文学上的一个概念岁差，另外还有其他行星的影响，还有太阳转动的影响等。把这些全部考虑进去，和观测值进行比较，就知道太阳的质量使空间弯曲。

在太阳系太阳对水星的影响比较大，虽然水星的轨道是椭圆形的，并且太阳处在椭圆形的焦点上，但水星的轨道不是闭合的，它绕一圈没有回到原来的点。也可以说，水星近日点在进动。按照牛顿的理论来计算，这个进动角每一百年是5600.73秒，这是测量值，牛顿的理论计算值是5557.62秒。

当时的科学家们猜想是否在水星的轨道上还有一颗星，就像当初海王星、冥王星的发现一样，甚至有人把这颗星的名字都起好了，但始终没有发现。按照爱因斯坦的广义相对论来解释，考虑到太阳质量引起的空间弯曲，由于水星离太阳最近，它的轨道进动角要在牛顿计算值的基础上，每百年还要加上43.03秒。结果还差0.08秒，这就在误差范围内了。

所以最后还是爱因斯坦自己证明了这个矛盾

c 光线偏折

广义相对论要求时空可以是弯曲的，一切物体都要沿着时空中的测地线走，其中就包括了光。如果这个地方的测地线是弯曲的，那么光线就也会是弯曲的。比如说，如果这里有一个大质量的星球，那么远方的星光经过这个星球附近的时候，就可能发生偏折。

这件事牛顿力学里可是绝对没有，人们一直都认为光在真空中永远走直线。

爱因斯坦1916年计算出光线弯曲的正确结果，然后1919年5月29号，就有一次日全食。那时候第一次世界大战刚刚结束，英国天文学家爱丁顿，专门说服英国政府给了一笔经费，组织了两个观测团队，一个去巴西一个去非洲，专门为了验证广义相对论观测这次日食。

结果爱丁顿的团队就真的看到了原本不该出现在太阳周围的几颗星。

总结

爱因斯坦的相对论在此基本讲完了，但是物理学还没有结束，因为这个时代是现代物理——量子力学的天下，这部分我们下一期再见。

万维钢说，物理学的发展就像看破红尘一样有趣，而且每一次迭代都是物理学大厦的崩塌与重建。

ps：下一节我们会谈谈近代物理学，近代物理学的故事更有趣！

说到最后：

我想请读者留言，你们还想听关于哪个方面的知识，我会努力去收集相关资料等整理好了给大家系统讲述。附图是我目前定义的写作方向，无论你喜不喜欢我都会坚持写下去。

学习是一个永无止境的过程，知识本没有边界，学而无用堪称大用，简洁有力的道理听起来会让你热血沸腾，但是远不如理解道理背后的故事更为深刻。

所以，经典的东西需要反复读，反复品味才是活力的来源！——Masir

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