趣科普|爱因斯坦又一次正确！太阳光谱的精确测量验证了广义相对论
爱因斯坦在1915年发表的广义相对论引入了时空的新概念 ， 它表明大质量物体会引起附近时空的弯曲 ， 而时空弯曲会引起时间变慢 。 但是在当时的技术条件下 ， 能明显测得到相对论效应的天体就只有太阳 。 那么我们应该如何测量时间延缓这一效应呢？
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总不能把时钟放在太阳表面上 ， 即使真的能放上去 ， 在地球上也没法看到时钟 。 爱因斯坦建议 ， 可以利用太阳光的谱线来检验 。 如果时间变慢真的存在 ， 那么谱线将发生红移 ， 这就是所谓的引力红移 。
我们知道 ， 光的频率表示的是单位时间内振动的次数 。 在太阳表面 ， 假设光振动一百次发出一百个光子 ， 这些光子都被地球上的观察者所接收 。 但是 ， 两地的时空弯曲程度不一样 ， 所经历的时间也会不一样 。 这就导致地球上的观察者所观测到的光的频率更小 ， 对应的波长会更长 。 这就是爱因斯坦广义相对论所预言的引力红移 。
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【趣科普|爱因斯坦又一次正确！太阳光谱的精确测量验证了广义相对论】但是 ， 牛顿万有引力理论也能预测引力红移 。 牛顿把光看作是一种粒子 ， 它会受到引力的影响 。 当它试图脱离引力的束缚时 ， 它会损失掉动能转换为势能 。 但是 ， 由于光速的不变性 ， 损失掉的动能只能表现在波长上 。 也就是说 ， 光子逃离太阳越远 ， 它的波长就越长 。
根据计算 ， 牛顿理论和广义相对论在一阶近似的情况下是相等的 ， 它们二者只有在二阶的情况下才有差异 。 但是 ， 以当时的技术条件 ， 实验物理学家只能测出一阶的精度 ， 因此无法鉴定这两种理论哪种更符合实际 。
事实上 ， 测量太阳的引力红移也是一件很棘手的事情 。 太阳表面的温度非常高 ， 原子热运动产生的多普勒红移会使谱线变宽 ， 但是并不会使谱线移动 。 不仅如此 ， 太阳表面的宏观气流也会引起多普勒红移 ， 这种红移会导致谱线的移动 ， 也就是说它会附加在引力红移的效果上 。 此外 ， 地球公转、自转还有太阳自转也会对此产生影响 。
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这些影响的叠加使观测太阳的引力红移变得非常困难 。 不过 ， 一组科学家团队另辟蹊径 ， 以前所未有的精度测量了太阳的引力红移 ， 验证了爱因斯坦广义相对论的预言 ， 并将结果发表在《天文学与天体物理学》杂志上 。 他们并不是直接对太阳进行观测 ， 而是使用了从月球反射的太阳光谱的观测结果 。
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事实上 ， 引力红移已经应用在我们生活中了 。 在现代 ， 基本上每一件事都离不开导航的帮助 ， 引力红移对卫星导航具有重要影响 ， 如果不把该理论引入 ， 那么该系统将不能运作 。
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我们知道 ， 卫星在高空中运行 ， 其速度比较快 ， 根据狭义相对论 ， 它的原子钟每天比地面慢7微秒 。 但是它所处的引力又较小 ， 根据广义相对论 ， 它的原子钟每天要快45微秒 。 总的下来就是 ， 它的原子钟每天要快38微秒 。 这小小的差距如果不进行修正 ， 那么我们的定位将偏差十万八千里 。
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