为什么相对论是真的：爱因斯坦理论的证据

阿尔伯特·爱因斯坦著名的相对论已经在现实世界中得到证实，以日食、扭曲的星系甚至宇宙的结构来衡量。（图片版权所有）美国宇航局

保罗萨特是俄亥俄州立大学的天体物理学家和COSI科学中心的首席科学家。萨特同时也是“询问太空人”和“太空电台”的主持人，并领导世界各地的太空旅行。萨特将这篇文章贡献给了太空专家之声：专栏与洞察。

我们都知道并热爱世界上最受欢迎的引力理论：广义相对论（GR），它最初是由阿尔伯特·爱因斯坦自己创造的，用了七年时间才完成，并提供了对世界运行方式的惊人洞察。

很容易用两个精辟的语句来说明理论的本质：“物质和能量告诉时空如何弯曲，时空的弯曲告诉物质如何移动。”但实际的力学需要10个方程来描述，每个方程都非常困难，并且彼此之间高度关联。[爱因斯坦的广义相对论：一个简化的解释]

作为一个好的怀疑论者，我们不应该一开始就相信这种数学上的纠结，即使它来自除了爱因斯坦以外的任何人的大脑。相反，我们需要证据。很好的证据。

在他的新理论的所有特征中，爱因斯坦以其解释水星轨道细节的能力而自豪。那颗最里面的行星有一个稍微椭圆形的轨道，而那个椭圆绕着太阳转得非常慢。换言之，水星离太阳最远的地方会随着时间慢慢变化。

如果你对太阳-水星系统应用简单的牛顿引力，这种随时间变化的称为进动的现象不会出现——艾萨克-牛顿的观点是不完整的。一旦你加上其他行星引起的轻微的引力推动和调整，几乎所有的岁差都可以解释…但不是全部。到20世纪初，这是太阳系动力学中一个众所周知的问题，但并没有引起太多争议。大多数人只是把它加入了一个不断增长的“关于宇宙我们无法解释的稍微奇怪的事情”的列表中，并假设有一天我们会找到一个平凡的解决方案。

但是爱因斯坦不是大多数人，他认为水星给了他一个线索。经过多年的尝试，当他能够弯曲他一般的相对论肌肉，精确地解释水星的轨道奇异性时，他知道他终于破解了引力密码。

在爱因斯坦对大GR进行最后润色之前，他对引力的性质有了一些惊人的认识。爱因斯坦解释说，如果你被孤立在一艘火箭飞船上，火箭飞船的加速度平滑而恒定地达到1g，提供与地球引力相同的加速度，那么你实验室里的一切都将与地球表面上的一切一模一样。物体将以与地球相同的速度落在地面上；你的脚将牢牢地固定在地板上，等等。

重力（如地球上的经验）和加速度（如火箭中的经验）之间的等价物推动（双关语）爱因斯坦向前发展他的理论。但在这种情况下隐藏着一种令人惊讶的洞察力。想象一下一束光线进入飞船左侧的窗户。当光穿过飞船离开时，它将在哪里？”从外部观察者的角度来看，答案是显而易见的。光以一条完美的直线传播，垂直于火箭的路径。当光线穿过时，火箭向前推进。然后光线会进入一个窗口的火箭——比如说，靠近底部和靠近底部的出口，靠近发动机。为了使光进入靠近发动机尖端和出口的窗口，光束的路径必须是弯曲的。确实，这正是你所看到的。

和自从gravity和加速度是完全一样的，光必须沿着弯曲的路径围绕着大量的物体。

很难通过实验观察到这一点，因为你需要大量的质量和一些接近表面的光才能获得可探测的效果。但是1919年的日食证明了这是一个正确的机会，亚瑟·埃丁顿爵士带领的一个探险队发现了爱因斯坦早期理论所预言的遥远星光的精确移动。[日全食如何帮助证明爱因斯坦关于相对论的正确]

另一个有趣的结果从围绕广义相对论的创造性思维实验中弹出。这个结论依赖于老式的多普勒效应，但它适用于一个不熟悉的场景。

如果有东西离开你，它产生的声音会被拉伸，向下移动到较低的频率-这就是多普勒效应。同样的道理也适用于光：一辆远离你的汽车看起来比静止时稍微红一点。（红灯越亮，频率越低。）

警察可以利用这一转变，把灯从你的车上弹下来，抓住你超速。下一次你被拦下的时候，你可以利用这个机会来反思重力的本质。

因此，如果移动改变了光的波长，那么加速度也可以：一点光从加速火箭的底部到顶部移动，就会经历红移。在GR下，加速度等于重力。这是对的：从地球表面发出的光会随着它向上传播的距离越来越远而逐渐变红。

花了几十年的时间才最终证明了这一预测，因为其影响是如此之小。但在1959年，罗伯特·庞德和格伦·雷布卡提出、设计、建造并执行了一项实验，使他们能够测量光沿着哈佛大学杰斐逊实验室的几层楼向上移动时的红移。

的测试，即使有了所有这些证据，我们仍在继续对广义相对论进行测试。爱因斯坦伟大工作中的任何裂痕都会引发一种新的引力理论的发展，也许会为揭示这种力的全量子性质铺平道路。这是我们现在根本不明白的。

但是在所有方面，GR都有飞行的颜色；从敏感的卫星到引力透镜，从围绕巨大黑洞的恒星轨道到引力波的涟漪和宇宙本身的演化，爱因斯坦的遗产可能会持续相当长的一段时间。

通过听插曲“认真地说，重力是什么？”？（第2部分）“关于“询问太空人”的播客，可在iTunes和网站://Ask a Spaceman上找到。感谢Andrew P.，Joyce S.，@Luft08，Ben W.，Ter B.，Colin E，Christopher F.，Maria A.，Brett K.，Bryguythefflyguy，@MarkRiepe，Kenh L.，Allison K.，Phil B.和@shrenic shah提出的问题，这些问题导致了这篇文章！在Twitter上使用AskASpaceman或关注Paul@PaulMattSutter和facebook/PaulMattSutter来问你自己的问题。关注我们@Spacedotcom、Facebook和Google+。关于太空的原始文章。“