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”( 三 )


400年前,等效原理就有了第一个佐证。传言,1589年意大利天文学家伽利略在比萨斜塔上做了两个球体自由下落的实验。这两个球体受到的空气阻力很小,虽由不同的材料制成,却在同一时间落地。近400年后,1971年在月球上又重新上演了这一幕。“阿波罗15”号的宇航员戴维·斯科特(Dave Scott)同时松开了手中的一个锤子和一根羽毛。在没有空气的月球环境下,锤子和羽毛一起落下,同时击中月球表面,再现了伽利略的实验。尽管它们的成分不同,但下落的速度一样。
“阿波罗”号的宇航员还在月球表面安装了激光反射镜。这些镜子能反射从地面发出的激光,进而精确测量月球与地球的距离,误差只有几毫米。这些测量的结果可以对等效原理进行严苛的检验。迄今,数十年来的激光测月数据显示,其和广义相对论预言的差别不足10-14。
和伽利略以及斯科特的自由落体实验一样,这些测量也证明,在太阳的引力场中,地球和月球受到的加速度相同。
6.时空、自转与拖曳
 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”
文章图片

爱因斯坦的时空概念实际上有点类似某种胶质。有一个著名的比喻,把地球想象成一个放置在蹦床上的保龄球。大质量的地球会导致时空蹦床出现凹陷,使得在其附近运动的物体轨迹因为这一弯曲而发生改变。但蹦床的比喻仅仅是广义相对论整个物理图像的一部分。如果广义相对论是正确的,一个旋转的大质量天体还会拖动时空和它一起搅动,就像在蜂蜜中转动一把汤勺。
1960年前后,物理学家想出一个可以同时检验这两个预言的实验。第1步:在人造地球卫星上放置陀螺仪。第2步:将卫星和陀螺仪对准同一颗参照星。第3步:测量陀螺仪指向的变化,看看它是否与地球引力场的曳引效应相符。
这个实验所需的技术在44年后才变得可行,总共耗资7.5亿美元。这个仪器后来被命名为引力探测器B(引力探测器A的后续)。2011年发布的结果来之不易:这一实验的精度超乎以往,因此其数据分析成了一项巨大的挑战。不过最后,测量结果再次支持了爱因斯坦,地球确实会拖动周围的时空与它一起转动。
在过去的100年中,广义相对论的表现优异,但对它的检验还远没有结束。虽然已有许多令人印象深刻的严苛实验,但没有人在强引力场中,例如黑洞附近,对广义相对论进行检验。鉴于此前的实验结果,在这些极端环境下,爱因斯坦的理论可能依然坚如磐石,但也有可能会完全颠覆我们的认识。
【 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”】未来,我们将在更深的层次上探测广义相对论的预言,对它的实证检验也将会继续。


推荐阅读