广义相对论的天文学验证
【中文词条】广义相对论的天文学验证
【外文词条】astronomical tests of general relativity
【作者】周又元
用天文现象和天文观测方法验证广义相对论的正确性。广义相对论是关于引力相互作用的理论。在天文现象中﹐引力作用往往占主导地位。有关广义相对论的一系列的关键性检验﹐都是由天文观测来完成的。爱因斯坦建立广义相对论后﹐提出了可从三方面来观测检验广义相对论的结论﹕弱引力场中的效应﹐宇宙学效应﹐引力波效应。
利用太阳引力场观测弱引力场效应的工作﹐作得最为精细。主要有以下几个方面﹕
引力红移 广义相对论预言﹐从太阳表面发出的谱线与地球上同样原子的谱线相比﹐波长较长(红移)﹐移动量等于速度为每秒 0.6公里的多普勒效应移动量。二十世纪六十年代初的检验结果是﹐观测值为 (1.05±0.05)×理论值。
光线偏转 广义相对论预言﹐当光线经过太阳引力场后﹐它的方向要发生偏转﹐偏转角为
式中为光线距太阳中心的最短距离(以太阳半径为单位)。利用日全蚀时观测比较星的位置变化﹐或者利用太阳遮掩或掠过黄道附近的射电源时观测射电源的位置变化﹐可以进行这一检验。1975年的观测结果是α -1.02±0.03﹐其比例系数为(1.007±0.009)×175。
行星轨道近日点反常进动 在广义相对论建立之前﹐就知道水星近日点具有牛顿理论所不能解释的反常进动﹐每百年4311。爱因斯坦利用广义相对论计算结果为每百年4303﹐二者几乎相等。其他天体的近日点反常进动值(每百年的值)见表﹕
雷达回波的延迟 广义相对论预言﹐当从地球向地内行星发射雷达信号﹐并接收其回波时﹐如果雷达波在太阳附近通过﹐则回波的时间要比不在太阳附近通过有所延迟。在行星上合时(见行星视运动)﹐作此实验。对水星﹑金星的观测结果是理论值的1.015倍﹔对行星探测器“水手”6﹑7号的观测结果﹐也与理论值相符。
在宇宙学方面最主要的检验是关于宇宙膨胀的预言。1929年发现星系的谱线红移与距离成正比(见哈勃定律)﹐这是对宇宙膨胀学说的一个支持(见大爆炸宇宙学)。关于引力波理论的第一个观测检验是在1978年完成的。射电脉冲星PSR1913＋16是由两颗致密星)构成的双星﹐对它进行了四年多的监视性观测后﹐发现它的公转周期系统性地变短﹐观测值与由引力辐射阻尼理论计算的结果相符合。