愛因斯坦又一次正確！太陽光譜的精確測量驗證了廣義相對論

愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論引入了時空的新概念，它表明大質量物體會引起附近時空的彎曲，而時空彎曲會引起時間變慢。但是在當時的技術條件下，能明顯測得到相對論效應的天體就只有太陽。那麼我們應該如何測量時間延緩這一效應呢？

總不能把時鐘放在太陽表面上，即使真的能放上去，在地球上也沒法看到時鐘。愛因斯坦建議，可以利用太陽光的譜線來檢驗。如果時間變慢真的存在，那麼譜線將發生紅移，這就是所謂的引力紅移。

我們知道，光的頻率表示的是單位時間內振動的次數。在太陽表面，假設光振動一百次發出一百個光子，這些光子都被地球上的觀察者所接收。但是，兩地的時空彎曲程度不一樣，所經歷的時間也會不一樣。這就導致地球上的觀察者所觀測到的光的頻率更小，對應的波長會更長。這就是愛因斯坦廣義相對論所預言的引力紅移。

但是，牛頓萬有引力理論也能預測引力紅移。牛頓把光看作是一種粒子，它會受到引力的影響。當它試圖脫離引力的束縛時，它會損失掉動能轉換為勢能。但是，由於光速的不變性，損失掉的動能只能表現在波長上。也就是說，光子逃離太陽越遠，它的波長就越長。

根據計算，牛頓理論和廣義相對論在一階近似的情況下是相等的，它們二者只有在二階的情況下才有差異。但是，以當時的技術條件，實驗物理學家只能測出一階的精度，因此無法鑑定這兩種理論哪種更符合實際。

事實上，測量太陽的引力紅移也是一件很棘手的事情。太陽表面的溫度非常高，原子熱運動產生的都卜勒紅移會使譜線變寬，但是並不會使譜線移動。不僅如此，太陽表面的宏觀氣流也會引起都卜勒紅移，這種紅移會導致譜線的移動，也就是說它會附加在引力紅移的效果上。此外，地球公轉、自轉還有太陽自轉也會對此產生影響。

這些影響的疊加使觀測太陽的引力紅移變得非常困難。不過，一組科學家團隊另闢蹊徑，以前所未有的精度測量了太陽的引力紅移，驗證了愛因斯坦廣義相對論的預言，並將結果發表在《天文學與天體物理學》雜誌上。他們並不是直接對太陽進行觀測，而是使用了從月球反射的太陽光譜的觀測結果。

事實上，引力紅移已經應用在我們生活中了。在現代，基本上每一件事都離不開導航的幫助，引力紅移對衛星導航具有重要影響，如果不把該理論引入，那麼該系統將不能運作。

我們知道，衛星在高空中運行，其速度比較快，根據狹義相對論，它的原子鐘每天比地面慢7微秒。但是它所處的引力又較小，根據廣義相對論，它的原子鐘每天要快45微秒。總的下來就是，它的原子鐘每天要快38微秒。這小小的差距如果不進行修正，那麼我們的定位將偏差十萬八千裡。