第七章：广义相对论的实验检验
在之前的章节中，我们已经看到了爱因斯坦的广义相对论如何从根本上改变了我们对于引力、空间和时间的理解。这个理论提出了许多与牛顿引力理论不同的惊人预测，比如太阳引力弯曲星光、水星轨道的进动以及光的引力红移等。在这一章中，我们将详细探讨这些预测，并研究过去一个世纪累积的观测证据来测试广义相对论。我们将从爱因斯坦本人提出的三个“经典测试”开始，然后转向涉及引力透镜、引力波和黑洞等现象的更现代化的测试。正如我们将看到的那样，广义相对论在每一个测试中都表现出色，巩固了其作为迄今为止最好的引力理论的地位。
三个经典测试
爱因斯坦在1915年发表了他的广义相对论后不久，他提出了三个可能证实或否定该理论的观测测试。这些测试后来被称为广义相对论的“经典测试”，它们是：
- 水星的近日点进动
- 太阳引力弯曲星光
- 光的引力红移
让我们依次来看看这些测试。
水星的近日点进动
水星围绕太阳的轨道非常椭圆，每个轨道它的最靠近太阳的点（近日点）都会进动一个小角度。根据牛顿引力理论，这个进动完全可以由其他行星的引力牵引解释。然而，19世纪末的精确观测表明，水星的近日点进动存在一个小的偏差：比牛顿理论预测的多出大约43角秒每个世纪。
这个异常已经困扰了天文学家几十年，甚至一些人甚至建议太阳附近有一个不可见的行星（“火神星”）来解释这一现象。但是在1915年，爱因斯坦表明，他的广义相对论自然地解释了水星的额外进动。根据广义相对论，在太阳周围的时空弯曲引起了水星轨道每个世纪额外进动43角秒，与观测完全一致。
这对于爱因斯坦的理论来说是一个重大的胜利。它解释了一个长期以来的谜团，并为时空弯曲的存在提供了有力的证据。如今，水星的近日点进动被视为广义相对论的关键观测支柱之一。
太阳引力弯曲星光
广义相对论的另一个预测是光线应该被引力场弯曲。根据这个理论，一束经过太阳附近的星光应该被弯曲一个小角度，其弯曲程度是牛顿引力预测的两倍。
爱因斯坦意识到，在日全食期间，可以测试这种效应，因为太阳附近的星星在黑暗的白天天空中变得可见。通过比较日全食期间星星的表观位置与夜晚它们的正常位置，天文学家可以测量弯曲并查看是否与广义相对论的预测相吻合。
对这种效应的第一次测量是在1919年的日全食期间进行的，由英国天文学家亚瑟·埃丁顿领导的两个探险队。一个队伍前往非洲科特迪瓦附近的普林西比岛，而另一个队伍则去了巴西的索布拉尔。尽管天气和设备带来了挑战，但两个队成功地拍摄了日全食并测量了星星的位置。
当结果经过分析后，它们显示星光确实被太阳弯曲，弯曲程度与爱因斯坦的预测非常接近。这一消息在全球范围内成为头条新闻，并将爱因斯坦推向国际知名度。太阳引力弯曲星光被视为广义相对论和时空弯曲存在的戏剧性确认。
自1919年以来，光的弯曲测试已经通过无线电望远镜和光学望远镜多次使用不断提高的精确度进行了重复测试。截至目前，利用非常长基线干涉仪（VLBI）进行的最精确的测量证实了广义相对论的准确性达到了0.02%。
光的引力红移
广义相对论的第三个经典测试涉及光的引力红移。根据广义相对论，一个在引力场中发射的光线在爬出势阱时会发生红移（即其波长会增加）。引力场越强，红移越大。
爱因斯坦提出，可以使用来自太阳的谱线来测量这种引力红移。太阳大气中原子发射的光应与地球上实验室中产生的相同谱线相比略微发生红移，这是由于太阳强烈的引力场造成的。
由于需要极其精确的光谱学和其他可以改变光谱线的效应的存在（比如来自太阳自转的多普勒位移），测量这种引力红移一直很具有挑战性。1925年，瓦尔特·亚当斯利用位于威尔逊山天文台的100英寸望远镜上的光谱仪进行了第一次成功的测量。亚当斯发现的引力红移与爱因斯坦的预测一致，尽管具有相当大的不确定性。
此后，使用穆斯报效应和原子钟进行了更精确的引力红移测试。在1960年代，罗伯特·庞德和格伦·雷布卡在哈佛大学的一个22米高的塔上测量了向上和向下传播的伽玛射线的红移，确认了广义相对论的准确性达到了1%。后来，使用火箭搭载的氢质子钟进行的实验证实了红移的准确性在10^5的范围内。 引力红移不仅是对广义相对论的重要测试，也是GPS卫星的一个实际问题，因为GPS卫星由于地球引力的作用而经历了显著的红移。如果不纠正这种效应，GPS导航每天会偏移几公里。
广义相对论的现代测试
尽管三个经典测试为广义相对论提供了第一批强有力的证据，但在爱因斯坦的理论出版一个世纪以来，已经设计出并进行了许多更多的测试。这些现代测试在新的和极端的范围内探测了广义相对论，并利用了在爱因斯坦时代无法想象的先进技术。
引力透镜
广义相对论最引人注目的预测之一就是引力透镜现象。就像玻璃透镜弯曲通过它的光线一样，一个庞大的物体（如星系或星系团）可以弯曲背景光源的路径，充当“引力透镜”。
引力透镜现象有三个主要的区域：
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强透镜现象：当透镜足够大且足够对齐时，会产生多个图像、弧线或环状的背景光源。第一个强透镜是在1979年发现的，它是由一颗前景星系引力透镜形成的实际上是同一颗类星体的两个镜像。现在已经发现了数百个强透镜，并且它们提供了一种方法来绘制暗物质的分布并测试千秒尺度上的广义相对论。
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弱透镜现象：这是一种更微妙的效应，当透镜质量不足以产生多个图像时，但仍然扭曲了背景星系的形状。通过在天空大范围区域内对这些形状扭曲进行统计分析，天文学家可以绘制宇宙的大尺度结构并测试宇宙尺度上的广义相对论。近年来，弱透镜现象已经成为宇宙学的关键探测手段，重要的调查项目如暗能量调查和Kilo度调查提供了越来越精确的测量结果。
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微透镜现象：当一个紧凑天体（如恒星或行星）经过背景恒星前方时，由于透镜效应导致后者暂时变亮。微透镜现象已被用于发现系外行星以及探测我们星系中的黑洞和其他暗物体的群体。它还为恒星尺度上的广义相对论提供了测试。
引力透镜现象为迄今为止的广义相对论提供了一些最令人惊叹的证实。观测到的透镜系统的数量、分布和性质与广义相对论的预测非常吻合，并对替代引力理论提出了严格的限制。
引力波
近年来，在测试广义相对论方面最令人激动的发展可能是对引力波的直接探测。这些是在时空结构中产生的涟漪，由加速的物质产生并以光速向外传播。爱因斯坦在1916年预言了引力波的存在，但他怀疑它们会因其极小的振幅而永远无法被探测到。
一个世纪后，激光干涉引力波天文台（LIGO）成功测量了通过引力波产生的微小时空扭曲。第一次探测是在2015年9月进行的，来自大约13亿光年外两个黑洞的合并。观测到的波形与广义相对论的预测非常吻合，精度达到几个百分点，为理论在强场、高速环境中的确认提供了惊人的证实。
此后，LIGO及其欧洲对应项Virgo已经探测到数十次引力波事件。这些事件包括二元黑洞的合并、二元中子星的合并，甚至可能是中子星-黑洞的合并。每个事件都为极端条件下的广义相对论提供了新的测试，迄今为止，该理论表现出色。
引力波天文学为我们打开了一个全新的窗口，使我们能够探测到对电磁辐射不可见的区域和事件。它还为迄今为止最严格的广义相对论测试提供了一些证据，确认了黑洞的存在、引力波以光速传播以及“无毛定理”（说明黑洞完全由其质量、电荷和自旋特征确定）等关键预测。
黑洞的观测证据
黑洞可能是广义相对论最极端和最神秘的预测。这些是时空区域，其曲率变得如此强大，以至于任何东西，甚至光，都无法逃离事件视界内。黑洞是爱因斯坦方程的直接结果，但多年来它们被视为数学上的奇特之物而非现实存在。
然而，如今有压倒性的观测证据证明了黑洞的存在。这些证据来自几个不同的研究领域：
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X射线双星：这些是一个黑洞或中子星从一个伴星吸收物质的系统。当物质螺旋进入且加热时，会发射可以被望远镜探测到的X射线。这些X射线的性质，特别是快速变化和高能量，为黑洞等紧凑天体的存在提供了有力的证据。
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超大质量黑洞：在大多数星系的中心，包括我们自己的银河系，都有质量是太阳数百万到数十亿倍的紧凑天体。这些物体的质量和紧凑性无法用星团或其他已知物体来解释，并且它们的特征与超大质量黑洞的预期相匹配。最有力的证据来自于天文学家通过观测围绕银河中心运动的恒星，从而测量了中央物体的质量和大小。
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引力波：如上所述，LIGO和Virgo检测到的引力波信号与合并黑洞的预测相匹配。从这些信号中推断出的质量、自旋和其他性质与黑洞一致，与中子星等其他紧凑天体不相符。
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事件视界望远镜：2019年，事件视界望远镜合作组织发布了第一张黑洞的直接图像。通过将全球的射电望远镜连接在一起形成一个地球大小的虚拟望远镜，他们能够解析出银河系M87中心的超大质量黑洞的事件视界。黑洞影子的观测尺寸和形状与广义相对论的预测相匹配，提供了对该理论的惊人视觉确认。
黑洞的观测证据现在非常强大，以至于它们的存在被视为几乎确定的事实。它们提供了对广义相对论最极端的测试，探测理论在强曲率和高速区域的效果。到目前为止，广义相对论在所有这些测试中都通过了，进一步巩固了它作为我们关于引力的最佳理论的地位。
结论
百年过去了，广义相对论仍然是我们最准确、经过最全面测试的引力理论。从爱因斯坦提出的经典测试到对引力波和黑洞的尖端观测，该理论已经经受了越来越精确和严格的测试，并且每次都获得了胜利。
对广义相对论的确认不仅仅是对该理论本身的胜利，也是对科学方法作为一个整体的胜利。广义相对论提出了一些大胆、与牛顿引力和常识大相径庭的预测。然而，当这些预测经过精心设计的实验和观测进行测试时，它们被发现是正确的。这就是科学的本质：提出可测试的预测，让自然作为最终的真理裁决者。
当然，没有科学理论是完整或最终的。仍然有许多未解答的问题和待解决的问题。