如何检验引力理论（三）

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纵观引力理论的发展，我们会发现，修改引力理论的批量出现，主要发生在两个时间段——一个是广义相对论诞生之初，1915年到1925年这一阶段，另一个则是上世纪60、70年代。事实上，这也正是引力理论的检验取得巨大发展的年代。

我们还是从广义相对论的检验说起。人们经常将广义相对论的三个经典检验称作三大预言，即光线偏折、水星进动、引力红移。接下来我们将逐一来谈谈这三个检验方法。上期我们谈到，太阳系可以看做是一个稳态的球对称的时空，这也是三大预言的共同点之一。

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光线偏折

太阳引起的光线偏折

光线偏折是广义相对论的第一次观测实验。我们知道，在平坦时空、均匀介质中，光沿直线传播；事实上，光是走测地线的，即对于它来说最快的路径；换句话说，光永远不会“选择一条最艰难的道路”（杜兰特：“咳咳。”）。大家可以暂时将这个理解为直线。那么在弯曲时空里，光的轨迹自然就是“弯曲时空中的直线”了。

因此，在太阳背后的恒星，其光线在经过太阳附近的时候，就会自然而然地发生偏折。而这个预言，是爱因斯坦在尚未推导出广义相对论的方程的时候，就已经在1911年，根据他对广义相对论的假设提来的。

事实上，牛顿引力同样可以预言光线偏折，但是牛顿引力则是把时空当成平坦的，掠过太阳附近的光子受到引力相互作用而发生偏折，就好像一个带电的粒子在经过另一个带电粒子附近，二者之间的相互作用那样。两个理论的出发点是完全不同的。

这样，在地球上的人看来，我们逆着光线去看，所观测到的太阳背后的恒星，实际上并不在它“看起来”所在的地方。而通过与全年不同时间段观测到的全天的星表进行对照，我们就可以找出这颗星本来应该在的地方。

爱丁顿发给爱因斯坦的电报

广义相对论诞生于一战期间，而给出了广义相对论第一个解析解的德国天文学家史瓦西也因为一战——这场帝国主义之间的非正义战争而逝世。

这期间，英国天文学家亚瑟·爱丁顿在皇家天文学会任职。身为秘书的他，第一个接到了爱因斯坦关于广义相对论的论文和书信。爱丁顿毫无疑问也是个天才，他和当时身在敌对的的德国的爱因斯坦建立起了超越战争的友谊。于是，他成为了第一批在英国研究和讲解广义相对论的人。

一战的硝烟散去之后，1919年，爱丁顿和另一位天文学家弗兰克·戴森率领远征队远赴圣多美和普林西比共和国的普林西比岛，他们要借着日食的机会，去观测太阳引力引起的背景恒星的光线偏折——显然，在通常情况下，太阳的光芒过于强大，将很难观测到其背后的恒星的光线偏折。同年5月29日，爱丁顿观测成功。第二年，他就发表了相关的论文。这是广义相对论发展历史上一个里程碑式的事件，从此广义相对论正式成为了公认的超越牛顿的引力理论。

BBC曾经拍摄过一部《爱因斯坦与爱丁顿》以还原这一历史事件。然而这部电影只可以当做艺术，并不是严谨的传记电影。这里面人物过于脸谱化。事实上爱因斯坦做的广义相对论的理论部分研究并没有爱丁顿和普朗克什么事，而是和格罗斯曼、希尔伯特等数学家合作的成果。毕竟是英国人拍的电影，所以这部影片对爱丁顿进行了大幅度的美化。事实上，爱丁顿，尤其是晚年的爱丁顿，是一个很刻薄的人。

而在爱丁顿之前，爱因斯坦的好友，德国天文学家欧文·弗里德里希也曾进行类似的观测。但是，倒霉的是，这支探险队去的是克里米亚，结果恰逢一战爆发，探险队的成员作为敌对国人员，被沙俄拘留，装备也被没收。而探险队的不幸却成了爱因斯坦的幸运，他得以有更充分的时间来完成自己的理论。

另外，爱丁顿的观测结果也值得怀疑。后世很多人怀疑他伪造了数据，因为当时的观测条件难以达到那种精度。但是，不管伪造与否，这次观测的确让广义相对论得到了更多的认可。好在后世人们又进行了更多的观测，广义相对论依然能够很精准地预言这一现象。

那么，一个新的修改引力理论，就必须要能够准确地预言水星进动现象。否则一个连现有的现象都没法解释的理论，又有什么价值呢？

爱因斯坦和爱丁顿的合影

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水星进动与引力理论

光子是没有静止质量的，或者说即使有，也非常小。那么接下来我们将要谈论的则是有静止质量的天体在太阳引力下受到的影响，即是水星进动现象，或者说是近日轨道恒星在近日点的进动现象。

什么叫进动呢？我们知道，行星的轨道并非完美的圆形，而是椭圆。下面的图片就是最直观的说明了。简单说来，就是行星在轨道并不是封闭的，而是像画花瓣一样，每次的轨迹都和原来的有所偏差，而非转了一圈就回到原位置。这一现象在轨道的任何一点上都有所体现，而最明显的，当然就是距离太阳最近的水星的近日点了。

水星进动示意图

水星进动现象早在广义相对论之前两个世纪，就已经被天文学家们发现了。牛顿引力中，水星也会有进动现象。但是牛顿引力计算出的结果，仅仅是观测值的六分之一。为此，科学家们做出了很多修正的尝试。例如考虑水星轨道内部还有一颗未被发现的恒星，或者是做类似氢原子的修正，但是都没成功。

但是，广义相对论预言的则和观测值非常接近。而且，爱因斯坦更厉害的地方在于，他在做出正确的预言的时候，史瓦西的球对称静态解还未得出，也就是说，爱因斯坦完全是用近似解得到的这一结果。每每想到这里，我们都不得不钦佩这位人类历史上最伟大的物理学家的智慧。

人类对水星的探测不会停止。2017年，物理学家克利福德·威尔（诺贝尔物理学家得主基普·索恩的高足）发表论文，预言在对水星近日点进动的影响中，存在有新的相对论性贡献。而这一现象，非常有可能被“贝皮科伦伯”号探测到。（【水星进行时】潜行吧，墨丘利！“贝皮科伦伯”号成功升空出征水星）

由于水星进动和光线偏折这两个现象非常好理解，因此一个新的引力理论，尤其是含有自由参数的理论，往往先在这两个现象上进行检验，或者对自有参数的取值进行限制。一般来讲，这两个现象就可以称作太阳系检验了，当然，太阳系检验并不是仅此而已。

未完待续

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作者：王纪尧

配图：王纪尧

排版：王纪尧

责任编辑：解仁江

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