1960年,物理學家羅伯特·龐德和格倫·雷巴克在實驗中測量到了「引力紅移」,這是愛因斯坦早就預測過的廣義相對論的一種效應。這項測量對精確度的要求極高,因此一直難以完成。在苦等了40年之後,這項愛因斯坦關於引力行為的第3個預測最終被證實(前兩個預測分別是光的彎曲和水星軌道的額外進動,第4個預測是引力波的存在)。
什麼是「引力紅移」呢?簡而言之,當光波從強大的引力場逃逸時,它的波長會被拉長,從而顏色變得更「紅」。龐德和雷巴克在哈佛大學的校園裡設計了一項實驗測量這一效應,他們在地表放置了由處於激發態的原子躍遷回基態的時候輻射出的伽瑪射線,對準在物理實驗室大樓頂端幾層樓高的塔頂。輻射經過約22米的路程達到塔頂,伽瑪射線的波長確實被地球的引力拉長了一點,這與愛因斯坦的預測完全吻合。
我們怎麼理解這種波長被「拉長」的現象呢?你可以把光波看作是彈簧,在它向地表之上彈出去試圖脫離地球引力的時候,彈簧被拉長了。當光波的波長變長時,光波的頻率,即每秒鐘經過我們的波的次數減少了。如果將伽瑪射線當做一個時鐘,那麼由於地球引力場的作用,「時鐘的滴答聲」變慢了。也就是說,和太空中的時鐘相比,地球上的時鐘走得更慢,原因正是引力紅移效應。
在我們的日常生活中不會注意到這個變化,因為我們身體裡的原子也變慢了,只有通過比較,我們才能確認這種效應。在太空軌道上的時鐘相對地面上的時鐘感受到的引力會弱很多,所以相比之下會走得快一些。安裝在全球定位系統(GPS)衛星上的高穩定時鐘遠離地球,所以會比地球時鐘走得快一些,由此造成兩個時鐘之間出現時間誤差。
因此,根據廣義相對論原理,科學家必須安裝定期修正時間誤差的程序,從而確保GPS對我們在地球上的汽車、輪船和飛機的導航定位不會出現大的偏差。可以這樣說,這是廣義相對論在我們日常生活中的首次成功應用,並且成為不可或缺的一項應用。
當然,時鐘減慢多少其實取決於引力場的強度。如果一個人能奇蹟般地生活在重力是地球一萬億倍的中子星上,如果不考慮其他因素,很顯然,他變老的速度會比生活在地球上的人要慢。在地球上時光流逝了10年,而在這顆中子星上時光只流逝了8年。這也正是廣義相對論的奇妙之處。