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愛因斯坦的相對論可以用哪些實驗去檢驗?

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2019

2019年5月20日08時 趣說創客

趣說創客

1905年,愛因斯坦給出了狹義相對論,1915年又給出了廣義相對論。相對論問世100多年來,經歷了無數次的實驗檢驗,預言的一些現象也一一得到了證實。相對論早已成為現代物理學的重要支柱之一,並且現在已經在一些領域得到了應用。現在談論如何證明相對論,就好像是在談論如何證明萬有引力與距離的平方成反比一樣,已經成為比較基本的實驗。像檢驗光速不變原理、檢驗相對性原理、檢驗時間膨脹、相對論力學實驗等等都可以看做是對相對論的檢驗。

現在幾乎所有的粒子物理實驗都要與相對論打交道。加速器將粒子的速度加速到接近光速時相對論效應就會明顯的表現出來,為此科學家們按照相對論的計算調整電場和磁場,設計製造出了同步加速器。大型加速器的出現不僅證實了相對論,也是相對論的應用。

現在無人駕駛等技術的發展迫切需要更精確的衛星導航,現在的衛星導航需要用到相對論進行時間修正。衛星在高空中高速繞地球轉動,按照狹義相對論,高速飛行的衛星上的鐘會變慢;按照廣義相對論,處在高空弱引力場中衛星的鐘會變快。一快一慢並不能抵消,最後需要人為的修正。這也是屬於相對論的檢驗及應用。

上世紀40年代時,科學家就通過對宇宙射線的觀測證實了狹義相對論。μ子靜止時的壽命約為2.2微秒,其速度約為光速的0.998倍。μ子在大氣層外產生後,只能走過大約660米的距離,對宇宙射線的研究卻發現大部分μ子能夠穿過大氣層到達海平面附近。這可以用相對論的鐘慢效應或尺縮效應來解釋。在μ子的角度看起來,大氣層的厚度變薄了;在地面的觀察者看起來,高速運動的μ子的時間變慢了。故μ子能夠到達地面。

愛因斯坦給出廣義相對論時給出過三個實驗檢驗方案,光線通過大質量星球附近時的偏折、引力紅移、行星近日點的進動。這三個實驗是檢驗廣義相對論的比較典型的實驗。

光線的偏折在1919年被愛丁頓證實,當時就引起了轟動,比解釋了水星近日點的進動還要令人振奮,因為水星近日點的進動是早就被發現,而光線的偏折卻是根據理論預言出來的,就像當年根據萬有引力預言了海王星的存在。當時愛丁頓做實驗的時候需要等待日全食的時機,現在可以用射電望遠鏡觀測射電信號在太陽附近的偏折證實廣義相對論。

按照廣義相對論,引力場強的地方時間流逝的慢。根據光速不變原理,大質量天體發出的光在靠近天體附近時周期就會變長,頻率就會變小,光會向紅光方向移動,這就是引力紅移現象。測量宇宙中緻密天體發出的光,並與地球上相應原子的光譜對比,發現紅移量與廣義相對論的預言一致,從而證實了廣義相對論的正確。


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