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时空弯曲的天文学依据

对于广义相对论，爱因斯坦在实验证据不足的情况下是十分自信的，他曾这样说过：“当1919年日蚀证明了我的推测时，我一点也不惊奇.要是这件事没有发生，我倒会非常惊讶.”爱因斯坦预言：遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转.现代天文学观测到：在两张重叠的底片上可以清晰地看到一条笔直的星光在穿过阴影中的太阳时，竟然发生了偏转，偏转角是1.7秒.

爱因斯坦在1916年写了一本通俗介绍相对认的书《狭义相对论与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传.以后，每逢日全食都进行了观测，但由于种种不确定的因素，光学测量精度的提高受到了限制.1973年光学测量所得偏转角同理论值之比为0.95±0.11.60年代末，由于射电天文学的发展，使人们有可能用高于光学观测的精度来测量太阳引起的射电信号的偏折.这类观测所得偏转角同理论值之比在1975年已达到约1±0.01.有人早已通过测量人造卫星中悬浮陀螺的进动，来验证广义相对论.70年代初，又有人通过测量对遥远行星的雷达回波的方式检验了广义相对论.70年代末，几家大天文台同时报道采用射电天文学的方法测量某些类星体发出的射电信号经过太阳的弯曲程度，大大提高了检验光线偏折的精度，对广义相对论提供了新的实验支持.意大利和美国的两位物理学家最近发现了一对人造地球卫星的“爱因斯坦弯曲效应”.1974年9月由麻省理工学院的泰勒和他的学生赫尔斯，用305米口径的大型射电望远镜进行观测时，发现了脉冲双星，它是一个中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行，周期只有0.323天，它的表面的引力比太阳表面强十万倍，是地球上甚至太阳系内不可能获得的检验引力理论的实验室.经过长达十余年的观测，他们得到了与广义相对论的预言符合得非常好的结果.由于这一重大贡献，泰勒和赫尔斯获得了1993年诺贝尔物理奖.

根据爱因斯坦广义相对论的预言，地球会弯曲周围的时间和空间，因此使地球卫星的轨道发生微妙的变化.两位物理学家通过对人造卫星上亿个位点数据的仔细研究，最终发现这种极细微的效应.据意大利莱切大学的库夫里尼(IgnazioCiufolini)和美国航空航天局戈达德航天中心的帕乌里斯(ErricosPavlis)介绍，他们的数据分析有10%的误差，但已足以证实爱因斯坦的地心引力理论(爱因斯坦将地心引力解释为一种时空弯曲效应).此次实验涉及的两颗卫星(名叫LAGEOS和LAGEOS2)并未装载什么仪器，外形呈球状，表面覆盖许多小的反射镜.利用这些反射镜对激光束的反射能够非常精准地测定卫星的位点数据.两位物理学家在《自然》杂志上发表了相关文章，他们还表示，希望应用新的“重力探测B”卫星可将误差减少到1%左右.这种卫星通过装载的陀螺仪来探测时空弯曲效应.近几年来，由于空间探测技术的发展，使人们对广义相对论的验证又取得了新的进展.1997年11月初，在美国天文学会于科罗拉多洲埃斯特帕克举行的会议上，科学家们宣布，他们所发现的证据证实了爱因斯坦广义相对论作出的一个奇妙的预言.两个天文学家小组观测到这样的显示信号，即致密天体，例如中子星，由于它们的自转能吸引附近的空间与时间围绕它们一同转动.这种现象被称作“框架拖曳”.加州理工学院天体物理学家基普·索恩说，这是对爱因斯坦思想的一个极其重要的检验.除了对引力波的直接探测外，框架拖曳也许是最重要的一种效应了.爱因斯坦曾表明，任何一个自转着的天体，由于它的转动，都会拖曳空间与时间.不过，效应是如此微弱，以致仅当空间与时间能靠近一个具有强大引力场的天体，例如中子星或黑洞时，它才能被观测到.当有一颗恒星围绕这样的致密天体运行时，天体的强大引力可以将物质从恒星上吸引出来，并使物质形成一个以天体为中心的不断扩展着的圆盘.当圆盘上的物质不断地向着天体增加时，物质会变热井辐射出X射线.如果撇开广义相对论，你可以预言，以致密天体为中心向外看，则圆盘在所有方向均会保持相同的形状，但是框架拖曳改变了这一情景，它导致圆盘上物质运行的轨道围绕着天体的自转轴并以轴为中心发生脉动.由马萨诸塞理工学院崔伟领导的小组通过观测若干围绕某些可能的黑洞旋转着的圆盘的运动情况而寻找到这一效应.由意大利罗马天文台路易吉·斯特拉领导的另一小组通过对15颗中子星的观测，也取得了相同的结果.两个小组均利用美国航空与航天局发射的罗西X射线同步辐射卫星对圆盘辐射出的X射线强度作了测量.两个小组的观测表明，圆盘辐射出的X射线亮度的变化以某种方式暗示，每个圆盘确实在脉动着.“你可以看到X射线辐射区域面积的变化”，崔说“脉动程度与预言相一致.这里有着某种效应，它对我们产生了极大的刺激”，斯坦福大学物理学家引力探测B计划——通过放置在轨道上的陀螺仪，卫星将能探测到拖曳效应——实施者弗朗西斯·埃弗特说.“不过，上述两个小组的观测，还没有得到定量的结果”，他说，埃弗特希望引力探测B计划能够揭示效应的强度.科罗拉多大学米奇·别格斯利曼认为，进一步的观测是必要的.“要使明智的学者们毫不怀疑地相信它是困难的，这里要求对准圆盘或它转动时发出的闪光”，他说，“不过，如果效应得到确认，那么，它将是一个极其重要的发现.”

光线在不均匀引力场中（特别是在大质量物体附近）的传播方向因其受引力作用而改变.这种效应已经被很多天文观测所证实.另外，如果在发光的天体与地球之间存在强大的引力源，光线偏折效应可以产生该天体的“像”，那么我们看到的不再是一个天体而是两个（或两个以上）相似的天体（“引力海市蜃楼”）；这种强大的引力源被称为引力透镜.第一个引力透镜现象是在1979年发现的.1988年发现有四个类星体的“引力海市蜃楼”，后来还找到了包含更多像的“引力海市蜃楼”.由于星系的空间区域大，星系的像会呈弧形或圆环.至今已经观察到了很多“引力海市蜃楼”事例.