太陽引力紅移高精確度測量驗證了愛因斯坦廣義相對論的正確性

2020-10-09 技術力量


高精度徑向速度行星搜索器

由西班牙加那利天文研究所領導的一個國際研究小組以前所未有的精確度測量了太陽的引力紅移，這是太陽光譜中線條頻率的變化，當光線從太陽引力場逃逸到地球的途中時產生的。這項研究驗證了愛因斯坦廣義相對論的預測之一。

愛因斯坦在1911年至1916年間發表的《廣義相對論》提出了一個新的空間和時間概念，它證明了巨大的物體會引起時空的扭曲，而這種扭曲就是引力。例如，光在巨大物體附近以彎曲的路徑傳播，結果之一就是在位於一個較近的巨大物體後面，光被它扭曲了。


用愛因斯坦廣義相對論的時空扭曲表現太陽、地球和月球

廣義相對論的其它眾所周知的效應是觀察到的水星軌道因圍繞巨大的太陽而逐漸發生變化，或者引力紅移，即太陽光譜中的線條因其引力場而向紅色位移。

引力紅移是衛星導航系統的一個重要效應，如果不把廣義相對論放入計算中，GPS就無法工作。這種效應取決於天體的質量和半徑，因此，即使對於太陽來說，即使它比地球大，但在太陽光譜中仍然難以測量。


質量龐大的星球上所發出的光遠離星球時，會發生紅位移，也就是從藍色偏到紅色

1920年，愛因斯坦寫道："對於太陽，理論上預測的紅移大約是波長的萬分之二。這種效應是否真的存在是一個懸而未決的問題，目前天文學家正在努力解決這個問題。對於太陽來說，由於這種效應太小，很難判斷它的存在。"

為了測量它，科學家們使用了從月球反射的太陽光譜的觀測數據，這些數據是用HARPS高精度徑向速度行星搜索器利用雷射頻率梳的新技術獲得的。

加那利天文研究所研究員拉蒙·卡哈爾和喬納·岡薩雷斯·埃爾南解釋說："將HARPS儀器的精度與雷射頻率梳相結合，我們已經能夠高精度地測量太陽光譜中的位置，這使我們能夠驗證愛因斯坦廣義相對論的預測之一，即引力紅移，精度僅為每秒幾米。"

加那利天文研究所主任拉斐爾·雷波羅說："在8.2米的VLT望遠鏡上，用ESPRESSO光譜儀上連接的雷射頻率梳進行新的測量，將使我們能夠改進這些測量。"

《天文學與天體物理學》雜誌上發表了這項研究。

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  • 看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?
    1915年，愛因斯坦的廣義相對論出來後，得到了一些人的支持，但是，還有很多的科學家對他的理論持質疑態度，而真正看得懂的更是非常之少。愛因斯坦需要實驗來驗證廣義相對論的正確性。而且這次日全食發生的時候，太陽周圍正好是畢宿星團的星星，這個星團特別的亮！日食探測星光偏折，不確定性的因素本來就很多，其他團隊後來沒有得到像樣的精確度，也是沒有什麼可以驚奇的。也許是牛頓的萬有引力理論，已經深入人心，愛因斯坦廣義相對論用時空彎曲來解釋引力，這個太難以讓人接受了，甚至許多人覺得簡直是謊謬。
  • 看完這5個預言的檢驗，你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎？
    1915年，愛因斯坦的廣義相對論出來後，得到了一些人的支持，但是，還有很多的科學家對他的理論持質疑態度，而真正看得懂的更是非常之少。愛因斯坦需要實驗來驗證廣義相對論的正確性。他們得出的觀測的結果是，星光偏折了1.79弧秒，和愛因斯坦算出來的1.74弧秒比較，誤差在實驗的容許範圍之內。它證明了廣義相對論的正確性。
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    這裡我們需要注意，即便是光子能量發生了變化，但是它的速度卻一直是個常量（但這個速度必須是指實地測量），這一點是相對論的體現。同樣的，所謂紅移，不過是光子能量，即頻率或波長的變化。我們可以假設這樣一個場景，一處光源靜止於地球表面，在光源的垂直上方設有一個靜止的超靈敏接收器，可以測出光子能量的變化，那麼光子能量到底會不會變化呢？
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    請問，愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證？這些驗證實驗具體如何做的？狹義和廣義相對論都由愛因斯坦分別在1905年和1915年提出，是世界上最先進的科學理論，為基礎物理奠下了堅實的基礎。也都已經被世界各國嚴格驗證很多遍，種種實驗和觀察都驗證了兩大相對論的正確性，今年的「M87黑洞」照片就是有力的證明。大多數人比較熟知廣義相對論，因為今年4月10日公布過第一張M87黑洞照片，讓大眾上了一堂科普課。而狹義相對論所知者並不多。
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