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弯曲的时空：6个能验证相对论权威的例子，从而证明相对论“无间可摧”( 二 )


光线穿过弯曲时空产生的引力透镜现象今天已成为探索宇宙的重要工具。它是爱因斯坦赐予天文学的礼物。例如，前景星系团可以弯曲并放大遥远背景中原星系的光线，让宇宙学家可以一瞥宇宙的早期时代。
3.光的引力红移
弯曲的时空：6个能验证相对论权威的例子，从而证明相对论“无间可摧”
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还有第三个预言佐证广义相对论。爱因斯坦认为，这三大经典实验是证实广义相对论的关键，而第三个实验是他唯一没能在有生之年看到的实验。
根据相对论，当光线离开一个大质量天体时，引力所弯曲的时空会拉伸光线，进而增大它的波长。对光来说，波长等同于其携带的能量；可见光的能量越低，看上去就越红，反之，看上去就越蓝；引力使得光的波长增大，就会让它变红。广义相对论预言的这一引力红移效应十分微弱，直到1959年才被探测到。
在一个电梯竖井的底部，科学家放置了一些放射性铁的样品，它发出的γ射线会从底部向上射到屋顶，那里安放了一台检测器。虽然跨度只有短短的22.5米，但根据爱因斯坦的预言，在地球引力场弯曲的时空中，这足以让γ射线损失其能量的百万亿分之几。
为了进一步证明这个相对论效应，1976年美国航空航天局发射了引力探测器A火箭。这一次，科学家测量的是一个原子钟里电磁波频率的变化；光的波长越短，其频率就越高，反之则越低。在近10 000千米的高空，引力探测器A上的时钟走得比地面上的稍稍快一点。二者的差为7×10-5，和爱因斯坦的预言相符。
2010年，科学家又向前进了一步，把一台钟抬高30厘米，发现它走的速度每秒钟会快4×10-13秒。这是一个梦幻般的实验，能在这么小的距离上测出这么小的差异。由此可以想象，你头部衰老的速度会比你的脚稍快一点。
在一个更为实际的尺度上，同样的效应也影响着全球定位系统。为了与地球表面的时钟同步，这些卫星上的钟必须每天调整3.8×10-5秒。如果不做这个修正，全球定位系统将无法工作。
4.夏皮罗效应：光的延迟
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夏皮罗效应得名于它的提出者欧文·夏皮罗（Irwin Shapiro），这个效应通常被称为广义相对论的第四大经典检验，旨在测量光线往返A、B两点间的时间间隔。如果爱因斯坦是正确的，光线在经过大质量天体附近时会花更多的时间。
20世纪60年代初，夏皮罗提出，当从地球上看上去水星位于太阳附近时，利用雷达照射水星并探测其回波可以检测这一效应。他的计算显示，太阳的引力场会使得雷达信号到达的时间推迟约2×10-8秒。
这项实验于1966年开始。从水星返回的雷达波确实发生了延迟，非常接近夏皮罗的预言，但两者符合得并不够好。
因此，为了进一步检验夏皮罗效应，物理学家决定弃用行星——因为其粗糙的表面会散射一部分雷达信号，而改用更好的目标——无人航天器。1979年，着陆火星的“海盗”号为验证夏皮罗效应提供了一个极为难得的机会。2003年，科学家又在飞往土星的“卡西尼”号探测器的信号中探测到了这一时间延迟效应。它们的测量结果都与广义相对论的预言相符。“卡西尼”号实验的精度达到了2×10-5，比“海盗”号的精度高50倍。
5.下落的科学——等效原理
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广义相对论的基石在于等效原理。它指出，在引力场中，物体以相同的速率下落，与它的质量或结构无关。在此基础上，这一原理还指出，在一个给定参考系中的其他物理学定律都应该不依赖当地引力场的强度；换句话说，在飞机上抛一枚硬币和在地面上抛的效果是一样的。更进一步，无论是在宇宙中何时何地进行的实验，其结果都应该相同。因此，大自然的规律无论在时间上还是空间上都是处处相同的，这样一路可以追溯至宇宙大爆炸。


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