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經(jīng)典實(shí)驗(yàn)

愛(ài)因斯坦在1916年提出了三個(gè)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)，后來(lái)被稱作“經(jīng)典廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)”：

水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)

光波在太陽(yáng)附近的偏折

光波的引力紅移

水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)

更多資料：廣義相對(duì)論中的開(kāi)普勒問(wèn)題

2006年11月8日發(fā)生的水星凌日。畫面中部偏下的小黑點(diǎn)是水星，左邊較大的一個(gè)黑點(diǎn)和右邊的兩個(gè)黑點(diǎn)是太陽(yáng)黑子

在牛頓物理中，一個(gè)獨(dú)立天體圍繞一個(gè)帶質(zhì)量球體公轉(zhuǎn)時(shí)，這二體系統(tǒng)會(huì)描繪出一個(gè)橢圓，帶質(zhì)量球體位于橢圓的焦點(diǎn)。兩個(gè)天體最接近的那一點(diǎn)為近心點(diǎn)（圍繞太陽(yáng)的近心點(diǎn)為近日點(diǎn)），其位置固定。在太陽(yáng)系中有若干效應(yīng)導(dǎo)致行星的近日點(diǎn)有進(jìn)動(dòng)，圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。這主要是因?yàn)樾行遣粩鄬?duì)其他行星進(jìn)行軌道上的攝動(dòng)。另一個(gè)效應(yīng)是因?yàn)樘?yáng)的扁橢球形狀，但這只造成很小的影響。

水星的實(shí)際軌跡和牛頓動(dòng)力學(xué)所預(yù)測(cè)的有所偏差。水星軌道近日點(diǎn)的反常進(jìn)動(dòng)率最先于1859年由奧本·勒維耶在一個(gè)天體力學(xué)問(wèn)題中發(fā)現(xiàn)。他分析了從1697年至1848年的水星凌日的時(shí)間紀(jì)錄，并發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的進(jìn)動(dòng)每100回歸年便會(huì)和牛頓理論預(yù)測(cè)的相差38弧秒（之后重新估計(jì)為 43弧秒）。 解釋這偏差的一些論述通常都會(huì)帶來(lái)更多的問(wèn)題，最終都不能被學(xué)術(shù)界接受。廣義相對(duì)論中，引力是由時(shí)空的彎曲造成的。這機(jī)制能夠解釋橢圓形軌道為什么會(huì)在軌道平面上改變?nèi)∠颍瑥亩斐山拯c(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。愛(ài)因斯坦證明了廣義相對(duì)論 預(yù)測(cè)出的數(shù)值完全符合觀測(cè)所得的近日點(diǎn)位移數(shù)值。這個(gè)有力的證據(jù)促使了廣義相對(duì)論被學(xué)術(shù)界接受。

過(guò)去對(duì)行星軌道的測(cè)量都是用傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的，今天，用雷達(dá)能夠給出更準(zhǔn)確的測(cè)量。水星的總共進(jìn)動(dòng)率為每100年574.10±0.65弧秒 ，參照系為國(guó)際天球參照系（International Celestial Reference Frame）。進(jìn)動(dòng)有以下幾個(gè)來(lái)源：

42.98"的修正是利用后牛頓形式論參數(shù)（post-Newtonian formalism parameter）為 γ γ --> = β β --> = 0 {\displaystyle \gamma =\beta =0} 時(shí)所預(yù)測(cè)的3/2倍。

因此這效應(yīng)完全能夠由廣義相對(duì)論來(lái)解釋。近期根據(jù)更精確測(cè)量進(jìn)行的計(jì)算也沒(méi)有動(dòng)搖這一點(diǎn)。

其他行星也會(huì)呈近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，但由于距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)，公轉(zhuǎn)周期也較長(zhǎng)，其進(jìn)動(dòng)率較低，在水星進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)之后很久，才被做實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確地觀察到。例如，廣義相對(duì)論所造成的地球軌道近日點(diǎn)位移為每100年3.84弧秒，金星的則為8.62弧秒。兩者均與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相符。 脈沖雙星系統(tǒng)的近拱點(diǎn)位移已被測(cè)量，其中PSR 1913+16每年進(jìn)動(dòng)4.2o。 這些數(shù)據(jù)都符合廣義相對(duì)論。 在非超高密度恒星的雙星系統(tǒng)中也能夠測(cè)量近拱點(diǎn)位移。然而，這些情況中的經(jīng)典力學(xué)效應(yīng)是很難預(yù)測(cè)的，例如：我們必須先知道恒星的自轉(zhuǎn)傾角，但這是很難直接觀測(cè)到的。因此，武仙座DI（DI Herculis）等系統(tǒng)被認(rèn)為是廣義相對(duì)論的可能反證之一。

光波在太陽(yáng)附近的偏折

亞瑟·愛(ài)丁頓爵士拍攝的1919年日食照片，1920年刊登于他的論文當(dāng)中，并且宣布日食實(shí)驗(yàn)成功

更多資料：廣義相對(duì)論中的開(kāi)普勒問(wèn)題

亨利·卡文迪什及約翰·馮·索爾德納（Johann Von Soldner）分別于1784年（在未發(fā)布的手稿中）及1801年（于1804年發(fā)布）指出，牛頓引力預(yù)測(cè)星光經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體時(shí)會(huì)被彎曲。 愛(ài)因斯坦于1911年只利用等效原理計(jì)算出與索爾德納相同的數(shù)值。不過(guò)，愛(ài)因斯坦在1915年完成廣義相對(duì)論時(shí)表示，他之前計(jì)算獲得的（以及索爾德納的）數(shù)值只是正確值的一半。愛(ài)因斯坦成了第一位正確計(jì)算出光線彎曲的物理學(xué)者。

通過(guò)比較背景恒星在接近太陽(yáng)時(shí)的位置，可以測(cè)量光線的彎曲。該實(shí)驗(yàn)于1919年由亞瑟·愛(ài)丁頓爵士等人合作進(jìn)行，時(shí)值日全食， 因此能夠觀察到太陽(yáng)附近的星星。同樣的觀測(cè)同時(shí)在巴西塞阿臘及非洲西岸的圣多美和普林西比進(jìn)行。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在當(dāng)時(shí)被算作大新聞，并被刊登在各大報(bào)章的頭版。愛(ài)因斯坦及其廣義相對(duì)論因此舉世聞名。當(dāng)其助手問(wèn)他，如果愛(ài)丁頓在1919年沒(méi)有證實(shí)廣義相對(duì)論的話，他會(huì)如何反應(yīng)時(shí)，愛(ài)因斯坦說(shuō)了著名的一句話：“我會(huì)為親愛(ài)的上帝感到遺憾。不管怎樣理論都還是正確的?！?

最初的準(zhǔn)確度非常低。有些學(xué)者批評(píng) 有系統(tǒng)誤差（systematic error）和確認(rèn)偏誤的存在，然而之后對(duì)原始數(shù)據(jù)的重新分析 指出，愛(ài)丁頓的分析是正確的。 1922年日全食發(fā)生時(shí)，利克天文臺(tái)重復(fù)進(jìn)行了測(cè)量，得出的結(jié)果與1919年的相符。 其后共進(jìn)行了多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，其中較著名的一次由德州大學(xué)于1973年進(jìn)行。在之后幾乎50年內(nèi)，測(cè)量誤差仍然無(wú)法減小，直到開(kāi)始采用無(wú)線電波頻率進(jìn)行觀測(cè)。到1960年代終于證實(shí)了光線彎曲的程度完全符合廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，而非該數(shù)值的一半。愛(ài)因斯坦環(huán)便是來(lái)自遙遠(yuǎn)星系光波被較近天體偏折后的結(jié)果。

光波的引力紅移

當(dāng)光波逆著引力場(chǎng)（由黃色恒星生成）傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生紅移——從藍(lán)色偏到紅色。

更多資料：引力紅移

愛(ài)因斯坦在1907年從等效原理推導(dǎo)出光的引力紅移效應(yīng)，然而實(shí)際的天體物理學(xué)觀測(cè)卻很難進(jìn)行（見(jiàn)下）。雖然沃爾特·亞當(dāng)斯在1925已量度了這一效應(yīng)，但要到龐德-雷布卡實(shí)驗(yàn)（Pound–Rebka experiment）于1959年利用極為敏感的穆斯堡爾效應(yīng)測(cè)量位于哈佛大學(xué)杰弗遜塔頂部和底部的兩個(gè)輻射源的相對(duì)紅移，才確切證實(shí)了引力紅移效應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果完美地驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。這是第一次使用精確測(cè)量手法去證實(shí)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)

羅伯特·狄克（Robert Dicke）和列納德·希夫（Leonard Schiff）分別各自提出測(cè)試廣義相對(duì)論的框架，為廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)的新時(shí)代貢獻(xiàn)出棉薄之力。 他們強(qiáng)調(diào)不但要做經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，而且要做零實(shí)驗(yàn) ，還要測(cè)試在某引力理論中按原則應(yīng)會(huì)發(fā)生，而在廣義相對(duì)論中卻不會(huì)發(fā)生的一些效應(yīng)。其他重要的理論發(fā)展包括創(chuàng)建廣義相對(duì)論的替代理論，特別是如布蘭斯-狄克理論（Brans-Dicke theory）等的純量-張量理論（scalar-tensor theory）， 包括能夠?qū)?duì)于廣義相對(duì)論的偏差加以定量的參數(shù)化后牛頓形式論（parameterized post-Newtonian formalism）以及等效原理框架。

在太空探索、電子學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的新進(jìn)展也促發(fā)了更多的精確實(shí)驗(yàn)，譬如龐德-雷布卡實(shí)驗(yàn)、激光干涉法以及月球激光測(cè)距等。

后牛頓引力實(shí)驗(yàn)

早期檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)遭遇到的一大困擾是缺乏可行的競(jìng)爭(zhēng)理論，物理學(xué)者不清楚什么實(shí)驗(yàn)可以分辨廣義相對(duì)論和其他理論的不同。當(dāng)時(shí)，廣義相對(duì)論是唯一能夠同時(shí)兼容狹義相對(duì)論和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的相對(duì)論性理論，它還是個(gè)極為精簡(jiǎn)的理論。1960年，布蘭斯-狄克理論的發(fā)表終止了這局面。這理論在某種程度上更為精簡(jiǎn)，不存在具有量鋼的物理量，并且兼容馬赫原理的一個(gè)版本及狄拉克大數(shù)假說(shuō)，這兩種哲學(xué)思想在相對(duì)論歷史中舉足輕重。最終這引致肯尼斯·諾特維特（Kenneth Nordvedt）和克里?！ね枺–lifford Will）發(fā)展出參數(shù)化后牛頓形式論，該形式論以10個(gè)可變參數(shù)來(lái)參數(shù)化所有對(duì)于牛頓萬(wàn)有引力定律的可能偏差，取至移動(dòng)物體速度的1次方（即取至 v / c {\displaystyle v/c} 的1次方，其中 v {\displaystyle v} 為物體速度， c {\displaystyle c} 為光速）。在弱引力場(chǎng)中慢速移動(dòng)物體的對(duì)于廣義相對(duì)論的可能偏差，可以用這種近似法幫助做有系統(tǒng)地分析。許多研究努力約束后牛頓參數(shù)，今天的對(duì)于廣義相對(duì)論的可能偏差已被嚴(yán)格減小。

測(cè)量引力透鏡效應(yīng)和光波延時(shí)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)涉及到愛(ài)丁頓參數(shù) γ γ --> {\displaystyle \gamma } ，它參數(shù)化光波傳播于引力場(chǎng)所產(chǎn)生的偏折。在廣義相對(duì)論中，它的數(shù)值為1，而在其他理論（如布蘭斯-狄克理論）中則有不同的數(shù)值。它是10個(gè)參數(shù)中被最佳約束的一個(gè)。但還有其他實(shí)驗(yàn)分別能夠約束別的參數(shù)，這包括精確觀測(cè)水星近日點(diǎn)位移，或測(cè)試強(qiáng)等效原理。

貝皮-哥倫布（BepiColombo）任務(wù)的一個(gè)目標(biāo)便是高準(zhǔn)確度測(cè)量 γ γ --> {\displaystyle \gamma } 和 β β --> {\displaystyle \beta } 這兩個(gè)后牛頓參數(shù)，從而驗(yàn)證廣義相對(duì)論。

引力透鏡

從遙遠(yuǎn)光源發(fā)射出的光波，經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體附近時(shí)，會(huì)被其引力場(chǎng)偏折。橘色箭透露出光源的表觀位置；白色箭透露出光源的真實(shí)位置。

引力透鏡是檢驗(yàn)廣義相對(duì)論最重要的實(shí)驗(yàn)之一。這現(xiàn)象已在遙遠(yuǎn)天體中被觀察到，但是其對(duì)廣義相對(duì)論的約束細(xì)節(jié)至今仍不清楚。最為精確的實(shí)驗(yàn)與愛(ài)丁頓的1919年實(shí)驗(yàn)基本相似──測(cè)量來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的光波被太陽(yáng)偏折的程度。射電源是能夠被最準(zhǔn)確分析的一種輻射源，特別而言，有些類星體是非常強(qiáng)勁的輻射源。根據(jù)瑞利判據(jù)，望遠(yuǎn)鏡對(duì)光源方向的分辨度最終是限制于衍射效應(yīng)，這也是射電望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際限制。若將世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡連結(jié)起來(lái)，可大幅度提高方向分辨率（從毫弧秒至微弧秒）。這種方法稱為甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量，它收集隔離甚遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)到的信息，借著調(diào)整這些信息的相位，將這些信息耦合在一起。近期，這些望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)對(duì)太陽(yáng)所偏折的光波作出超精確度的測(cè)量，并對(duì)廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的偏折證實(shí)至只有0.03%的誤差水平。 要達(dá)到如此高的精確度，必須精確測(cè)量世界各地望遠(yuǎn)鏡的位置。其中一些重要誤差來(lái)自地球的章動(dòng)、自轉(zhuǎn)、大氣折射、板塊移動(dòng)及潮汐等等。另一項(xiàng)重要誤差來(lái)自日冕對(duì)光的折射。不過(guò)，這種效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的光譜，而引力對(duì)光的扭曲卻與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。因此只要仔細(xì)分析并使用不同頻率進(jìn)行測(cè)量，便可以消除這一誤差來(lái)源。

太陽(yáng)的引力扭曲了整個(gè)天球（與太陽(yáng)相反方向的那一點(diǎn)除外）。這項(xiàng)效應(yīng)已被歐洲空間局的依巴谷衛(wèi)星觀察到。衛(wèi)星測(cè)量了大約10 顆星星的位置，在整個(gè)任務(wù)期間，它一共給出了大約 3.5 × 10 個(gè)相對(duì)位置，準(zhǔn)確度一般達(dá)到3毫弧秒（8-9級(jí)恒星的準(zhǔn)確度）。由于垂直于地日方向的恒星就有4.07毫弧秒的偏差，因此幾乎所有恒星都必須進(jìn)行矯正。如果撇除系統(tǒng)偏差，3毫弧秒的誤差可以降低至0.0016毫弧秒（乘法因子為相對(duì)位置數(shù)量的平方根）。不過(guò)系統(tǒng)偏差把準(zhǔn)確度限制在0.3%。

未來(lái)的蓋婭號(hào)（Gaia (spacecraft)）任務(wù)（全球天體測(cè)量干涉儀）將會(huì)對(duì)銀河系的十億顆恒星進(jìn)行普查，并將測(cè)量它們的位置至24微弧秒準(zhǔn)確度。這將能夠?yàn)閺V義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的光波被太陽(yáng)引力偏折的效應(yīng)帶來(lái)更嚴(yán)格的考驗(yàn)。

引力時(shí)間延遲

位于土星的卡西尼號(hào)向地球發(fā)送的信號(hào)在太陽(yáng)的引力場(chǎng)中延遲

1963年，歐文·夏皮羅（Irwin Shapiro）提出另一種可以在太陽(yáng)系內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，稱為夏皮羅實(shí)驗(yàn)。這實(shí)驗(yàn)不同于前述三種經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，因此又稱為第四種檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)”。夏皮羅表明，被其它行星反射的雷達(dá)信號(hào)，其來(lái)回時(shí)間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)論性時(shí)間延遲，這效應(yīng)稱為引力時(shí)間延遲效應(yīng)。 與直線路徑相比較，光子在掠過(guò)太陽(yáng)時(shí)彎曲路徑所產(chǎn)生的時(shí)間延遲微不足道，但是廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)，在光子靠近太陽(yáng)的引力場(chǎng)時(shí)，時(shí)間延遲效應(yīng)會(huì)因時(shí)間膨脹而逐漸增加。對(duì)水星和金星被太陽(yáng)掩食前后的觀測(cè)符合廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，誤差為5%。 更近期的卡西尼-惠更斯號(hào)進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與廣義相對(duì)論相符，誤差只有0.002%。 甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量也測(cè)量了木星 和土星 經(jīng)引力磁性修正后的引力時(shí)間延遲效應(yīng)。

等效原理

最簡(jiǎn)單形式的等效原理表明，自由落體在引力場(chǎng)中的軌跡應(yīng)該與其質(zhì)量或內(nèi)在結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，前提是物體很小的不能夠攪擾環(huán)境或不受潮汐力的影響。厄特沃什實(shí)驗(yàn)（E?tv?s experiment）極為精確地證實(shí)了這原理。這實(shí)驗(yàn)量度兩個(gè)試驗(yàn)質(zhì)量的加速度差別。對(duì)于這原理、跟物質(zhì)成分有關(guān)的第五力（fifth force）的存在、引力湯川相互作用的存在，涉及到非常強(qiáng)約束。更多內(nèi)容，請(qǐng)參閱條目第五力和弱等效原理。

強(qiáng)等效原理是強(qiáng)版的等效原理。強(qiáng)等效原理表明，在同樣狀況下，所有自身引力自由落體，像恒星、行星、黑洞等等（因引力吸引而結(jié)合在一起）應(yīng)該會(huì)有相同的運(yùn)動(dòng)軌跡。這被稱為諾特維特效應(yīng)（Nordtvedt effect），并已由月球激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)非常精確地證實(shí)了。 從1969年開(kāi)始，這實(shí)驗(yàn)持續(xù)從地球各處的測(cè)距站量度與月球上的反射器的距離，準(zhǔn)確度約為1釐米。 這實(shí)驗(yàn)對(duì)于幾個(gè)后牛頓參數(shù)給出強(qiáng)約束。

強(qiáng)等效原理的另外一個(gè)要求是，牛頓萬(wàn)有引力常數(shù)在時(shí)間、空間上都是不變的。許多獨(dú)立觀測(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)限制了萬(wàn)有引力常數(shù)的可能偏差， 但最優(yōu)良結(jié)果之一還是來(lái)自月球激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，它把常數(shù)每年偏差限制在10 分之一以下。

引力紅移

上文列出的第一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)——引力紅移——是愛(ài)因斯坦等效原理的自然后果。愛(ài)因斯坦于1907年就已預(yù)測(cè)出這后果。就其本身而論，雖然它也是一種檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)，但它與其它后牛頓實(shí)驗(yàn)有些不同，即任何遵守等效原理的引力理論自然應(yīng)該會(huì)包括引力紅移效應(yīng)在內(nèi)。但無(wú)論如何，驗(yàn)證了引力紅移效應(yīng)，也就驗(yàn)證了相對(duì)論性引力，因?yàn)橐t移的不存在強(qiáng)烈違反了相對(duì)論。亞當(dāng)斯于1925年對(duì)于白矮星天狼星B的光譜線位移的測(cè)量是對(duì)引力紅移最早的觀察。盡管他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及之后對(duì)其他白矮星光譜線的觀測(cè)，都符合相對(duì)論的預(yù)測(cè)，但是這些位移仍舊可能是來(lái)自于別種原因。因此必須設(shè)計(jì)與完成更仔細(xì)的受控實(shí)驗(yàn)（controlled experiment）。

用地表光源做受控實(shí)驗(yàn)核對(duì)引力紅移經(jīng)歷了幾十年時(shí)間，因?yàn)闇?zhǔn)確地測(cè)量這效應(yīng)是件十分困難的事，必須找到適當(dāng)操作頻率的計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量時(shí)間膨脹，又必須找到匹配這頻率的電磁輻射源來(lái)測(cè)量紅移。直到1960年才做成實(shí)驗(yàn)確認(rèn)這效應(yīng)，這實(shí)驗(yàn)應(yīng)用穆斯堡爾效應(yīng)能夠生成極細(xì)光譜線的性質(zhì)，測(cè)量經(jīng)由穆斯堡爾效應(yīng)生成的伽馬射線光子的波長(zhǎng)變化。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)由羅伯特·龐德（Robert Pound）和葛倫·雷布卡（Glen Rebka）進(jìn)行，之后由龐德和史奈德改進(jìn)，稱為 龐德-雷布卡實(shí)驗(yàn) （ 英語(yǔ) ： Pound-Rebka experiment ） 。伽馬射線量度的準(zhǔn)確度一般在1%。1976年，一項(xiàng)高準(zhǔn)確引力紅移實(shí)驗(yàn)把一個(gè)氫激微波計(jì)時(shí)器放在火箭上，并發(fā)射到一萬(wàn)公里高空，然后與地面的相同計(jì)時(shí)器進(jìn)行比對(duì)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了引力紅移，準(zhǔn)確度達(dá)到0.007%。

雖然全球定位系統(tǒng)（GPS）的設(shè)計(jì)目的并不包括測(cè)試基礎(chǔ)物理理論，但它的計(jì)時(shí)系統(tǒng)必須要將引力紅移效應(yīng)納入考量。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)人造衛(wèi)星升空的時(shí)候，有些工程師并不認(rèn)為會(huì)觀測(cè)到顯著的時(shí)間膨脹效應(yīng)，因此該人造衛(wèi)星并沒(méi)有時(shí)間修正的裝置。后來(lái)發(fā)射的人造衛(wèi)星都裝有時(shí)間修正裝置，并測(cè)量出每天38微秒的時(shí)間差。這偏差率足以在數(shù)小時(shí)內(nèi)大大削弱GPS的功能。

其它未能詳列的測(cè)試廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)包括： 1976年發(fā)射的引力探測(cè)器A（Gravity Probe A）證實(shí)，引力和速度能夠影響不同計(jì)時(shí)器繞著中心質(zhì)量的軌道運(yùn)行時(shí)的同步化功能； 利用環(huán)航地球飛機(jī)上的原子鐘來(lái)測(cè)試廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論的哈斐勒–基亭實(shí)驗(yàn)（Hafele-Keating experiment）； 以及未來(lái)的等效原理測(cè)試衛(wèi)星（Satellite Test of the Equivalence Principle）。

參考系拖拽

直徑為60 cm的LAGEOS-1衛(wèi)星

蘭斯-蒂林進(jìn)動(dòng)（Lense-Thirring）是由試驗(yàn)粒子繞著位于中心的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量（行星或恒星等）公轉(zhuǎn)而形成的長(zhǎng)期進(jìn)動(dòng)。激光地球動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星（LAGEOS）已經(jīng)完成對(duì)于這種進(jìn)動(dòng)的測(cè)試 ，但其中許多結(jié)果仍具有爭(zhēng)議性。 繞著火星公轉(zhuǎn)的火星全球探勘者號(hào)可能也曾經(jīng)探測(cè)到同樣的進(jìn)動(dòng)， 但獲得的結(jié)果也引起一些爭(zhēng)論。 近期還有報(bào)導(dǎo)表示，首次探測(cè)到太陽(yáng)對(duì)于內(nèi)行星近日點(diǎn)產(chǎn)生的蘭斯-蒂林效應(yīng)。 在超重黑洞附近，繞著黑洞公轉(zhuǎn)的恒星，會(huì)因參考系拖拽導(dǎo)致其軌道平面對(duì)于黑洞的自轉(zhuǎn)軸做進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。未來(lái)幾年，對(duì)位于銀河系中心附近恒星的測(cè)量應(yīng)該可以探測(cè)到這效應(yīng)。 給定兩顆位于不同軌道的恒星，通過(guò)比較它們的軌道進(jìn)動(dòng)率，原則而言可以對(duì)廣義相對(duì)論的無(wú)毛定理做檢驗(yàn)。

于2004年發(fā)射，2005年除役的引力探測(cè)器B觀察到參考系拖拽效應(yīng)和測(cè)地線效應(yīng)。這實(shí)驗(yàn)使用4個(gè)乒乓球大小、表面涂抹了超導(dǎo)體的石英球體。由于信號(hào)雜音的嚴(yán)重，而又未能準(zhǔn)確地為雜音創(chuàng)設(shè)模型，對(duì)數(shù)據(jù)的分析一直持續(xù)到2011年，才滿意分離出有用的信號(hào)。

史丹佛大學(xué)的主要研究人員在2011年5月4日表示，他們已準(zhǔn)確測(cè)量了對(duì)于飛馬座IM的參考系拖拽效應(yīng)，而計(jì)算結(jié)果符合廣義相對(duì)論中的預(yù)測(cè)，誤差約為0.2%。結(jié)果發(fā)布于物理評(píng)論快報(bào)。報(bào)告稱因地球自轉(zhuǎn)而引起拖拽效應(yīng)一共有37毫弧秒，誤差約為19%。 研究人員法蘭西斯·艾弗利特（Francis Everitt）解釋，1毫弧秒相當(dāng)于“在10英里外一根頭發(fā)的寬度”。

2012年1月，織女星運(yùn)載火箭搭載激光相對(duì)論衛(wèi)星（Laser Relativity Satellite）升空， 旨在測(cè)量蘭斯-蒂林效應(yīng)，準(zhǔn)確度約為1%（根據(jù)其支持者資料）， 但這實(shí)際準(zhǔn)確度的估算極具有爭(zhēng)議性。

強(qiáng)引力場(chǎng)實(shí)驗(yàn)：脈沖雙星

PSR B1913+16公轉(zhuǎn)周期的衰變。紅點(diǎn)為實(shí)際觀察到的值，和廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的衰變值拋物線相符合

更多資料：脈沖雙星

脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，它們?cè)谧赞D(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)射出規(guī)則的無(wú)線電脈沖。因此，脈沖星本身是一種計(jì)時(shí)器，這令精確監(jiān)測(cè)其軌道運(yùn)動(dòng)成為可能。所有繞著其它恒星公轉(zhuǎn)的脈沖星，在觀察實(shí)驗(yàn)中，都展示出切實(shí)的近拱點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，這觀察結(jié)果不能用經(jīng)典力學(xué)解釋，但可以用廣義相對(duì)論解釋。例如，赫爾斯-泰勒脈沖雙星PSR B1913+16（一對(duì)中子星，其中一顆為脈沖星）的進(jìn)動(dòng)率超過(guò)4°每年 。這進(jìn)動(dòng)率可以用來(lái)計(jì)算該系統(tǒng)每一顆中子星的質(zhì)量。

與原子或分子發(fā)射電磁輻射的方式類似，引力質(zhì)量如果有四極子（quadrupole）類或更高階類型的震動(dòng)，或是呈不對(duì)稱形并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，就會(huì)發(fā)射出引力波。 這些引力波的傳播速度被預(yù)測(cè)為光速。例如，繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的行星不斷通過(guò)發(fā)射引力波而失去能量，不過(guò)這效應(yīng)極微小，在可見(jiàn)的未來(lái)是不可能探測(cè)得到（見(jiàn)條目引力波）。在赫爾斯-泰勒雙星系統(tǒng)中可以間接探測(cè)到引力波。從脈沖的精確計(jì)時(shí)顯示出，兩顆星只是大約符合開(kāi)普勒定律：隨著時(shí)間演進(jìn)它們逐漸呈螺旋形運(yùn)動(dòng)互相靠近，表現(xiàn)出能量損失，這能量損失很符合預(yù)測(cè)的引力波帶走的能量。 所以，盡管沒(méi)能直接探測(cè)到引力波的存在，螺旋形運(yùn)動(dòng)軌道的機(jī)制似乎必須使用它們產(chǎn)生的效應(yīng)來(lái)做合理解釋。拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒因發(fā)現(xiàn)這顆脈沖星而贏得諾貝爾獎(jiǎng)。

2003年發(fā)現(xiàn)的雙脈沖星系統(tǒng)PSR J0737-3039，其近星點(diǎn)進(jìn)動(dòng)率為16.90°每年。與赫爾斯-泰勒雙星不同，這系統(tǒng)的兩顆中子星均為脈沖星，科學(xué)家因此能夠精確觀察這系統(tǒng)中的兩個(gè)天體。另外，兩顆中子星之間非常接近，軌道平面幾乎側(cè)向?qū)χ厍?，而且從地球觀測(cè)的橫向速度很低，所以該系統(tǒng)是至今用來(lái)測(cè)試廣義相對(duì)論有關(guān)強(qiáng)引力場(chǎng)預(yù)言的最佳雙星系統(tǒng)。幾種不同的相對(duì)論性效應(yīng)已被觀察到，包括類似于赫爾斯-泰勒系統(tǒng)中的軌道衰變。在進(jìn)行觀察兩年半后，人們已經(jīng)可以進(jìn)行4項(xiàng)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。最精確的一種為夏皮羅實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與理論預(yù)測(cè)的偏差不超過(guò)0.05% （然而每公轉(zhuǎn)周期的近星點(diǎn)位移只是圓周的大約0.0013%，因此這并不是高階的相對(duì)論實(shí)驗(yàn)）。

脈沖星PSR J0348+0432與其白矮星同伴在太空中運(yùn)行的藝術(shù)創(chuàng)意圖.

2013年4月25日，一組國(guó)際天文學(xué)者團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文表示，由脈沖星PSR J0348+0432與白矮星組成的大質(zhì)量聯(lián)星，因?yàn)榘l(fā)射引力波而釋出能量，其以螺旋型運(yùn)動(dòng)彼此互相靠近的速率，軌道周期衰變?yōu)?百萬(wàn)分之一秒每年，符合廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)。這是至今為止對(duì)于廣義相對(duì)論最嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

對(duì)引力波的直接探測(cè)

如前段所述，對(duì)脈沖雙星系統(tǒng)的觀測(cè)已經(jīng)間接證實(shí)了引力波的存在。近期建成的幾座引力波探測(cè)器試圖直接探測(cè)因天文事件而產(chǎn)生的引力波，例如，兩顆中子星碰撞在一起。目前靈敏度最高的探測(cè)器是從2002年運(yùn)作至今的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）。一些正在研發(fā)或計(jì)劃中的實(shí)驗(yàn)具有更高的探測(cè)靈敏度，這包括正在興建的進(jìn)階LIGO探測(cè)器，以及籌劃中的激光干涉空間天線（LISA）?？茖W(xué)家預(yù)期進(jìn)階LIGO探測(cè)器將會(huì)每天探測(cè)到引力波事件。

2016年2月11日，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）團(tuán)隊(duì)于華盛頓舉行的一場(chǎng)記者會(huì)上宣布人類對(duì)于引力波的首個(gè)直接探測(cè)結(jié)果。所探測(cè)到的引力波來(lái)源于雙黑洞融合。兩個(gè)黑洞分別估計(jì)為29及36倍太陽(yáng)質(zhì)量，這次探測(cè)為物理學(xué)家史上首次由地面直接成功探測(cè)引力波。

宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)

對(duì)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)中，在大尺度上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)相對(duì)在太陽(yáng)系中進(jìn)行的要受到更少的嚴(yán)格關(guān)注。 最早的大尺度實(shí)驗(yàn)要算測(cè)量宇宙膨脹了。 1922年，亞歷山大·弗里德曼發(fā)現(xiàn)，愛(ài)因斯坦的方程存在著非靜態(tài)的解（就算是包括宇宙常數(shù)）。 1927年，喬治·勒梅特證明了愛(ài)因斯坦方程的靜態(tài)解是不穩(wěn)定的，因此愛(ài)因斯坦所設(shè)想的靜態(tài)宇宙是不可能的（它要么膨脹，要么縮小）。 勒梅特表明宇宙是膨脹的。 他也推導(dǎo)出紅移與距離的關(guān)系，這在今天稱為哈勃定律。 之后在1931年，愛(ài)因斯坦認(rèn)同了弗里德曼和勒梅特的結(jié)論。 愛(ài)德文·哈勃于1929年發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹， 當(dāng)時(shí)許多人（現(xiàn)在仍有一部分人）認(rèn)為這是對(duì)廣義相對(duì)論的直接證明。 1930年代主要由愛(ài)德華·亞瑟·米爾恩進(jìn)行的工作指出，紅移與距離的線性關(guān)系是源自物理定律的不變性，而非來(lái)自廣義相對(duì)論。 不過(guò)非靜態(tài)宇宙這一預(yù)言并不是顯而易見(jiàn)的，而且研究的主要?jiǎng)訖C(jī)還是來(lái)自廣義相對(duì)論的。

另一些大尺度實(shí)驗(yàn)嘗試量度宇宙暴脹時(shí)產(chǎn)生的引力波。實(shí)驗(yàn)可以測(cè)量宇宙微波背景中的偏振或者利用稱為大爆炸觀測(cè)者的太空引力波干擾器進(jìn)行測(cè)量。

相關(guān)條目

狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

參考資料

其他研究論文

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