美国航天局5月4日宣布，“引力探测器B”卫星已经证实了爱因斯坦广义相对论的两项关键预测，这就是“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”。这项耗资7.5亿美元的“简单的”探测任务告一段落（实际从计划到实施再到得出结论历时约半个世纪）。这项实验对普通人来说并没有多大的影响，但对于广义相对论可以说是一个“精细的”验证性实验，对物理理论特别是对天体物理学研究具有深远意义。

什么是相对论

要了解“引力探测器B”的意义，必须了解爱因斯坦的广义相对论。

说起相对论，几乎无人不晓，但什么是相对论，知道究竟的人可能就不是很多了。一方面是相对论的理论确实“高深”，让很多人迷惑不解，望而生畏；另一方面对相对论的解释也不是很到位，让很多人不知所以。其实，相对论的理论确实有一定的难度，但相对论的基本概念却是非常“简单”的。

爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，他并没有做什么实验，只是通过思考，或者说“思想实验”，发现了牛顿力学的逻辑漏洞。牛顿力学是建立在绝对时间和绝对空间的基础上，要求宇宙中必须有一个绝对静止的“参照系”，其他与这个“绝对参照系”保持静止或匀速直线运动的参照系都称为“惯性参照系”，简称“惯性系”；在“惯性系”中物理定律都是成立的，并保持一样的形式。爱因斯坦问道：哪里有绝对的参照系？他认为绝对坐标毫无意义，“惯性系”之间都是等价的，只要有“惯性系”就足够了。比如我们所在的参考系可以认为是一个“惯性系”，其他与我们保持惯性运动的坐标系都是“惯性系”，都有一样的物理定律，其他的我们则一无所知。这就是爱因斯坦的“狭义相对性原理”，也称“伽利略相对性原理”，或者“相对性原理”。

“惯性系”之间是怎样联系的，比如我们（一个惯性系）看到一架飞机（另一个惯性系）在飞行，这是靠光联系起来的。而光的速度在麦克斯韦方程中是不依赖于任何坐标系的，只与介质的性质有关，已有的所有物理实验也都表明真空中光速是不变的（约每秒30万千米），不管是手电筒发出的光，还是从高速飞机上发来的光。同一束光在不同的（各种运动速度的）“惯性系”中被看到的都是同一种速度，这就是“光速不变原理”，这一条违反了我们日常的经验，由此推导出一些“古怪”的结论也就不奇怪了。

爱因斯坦由上述的两个原理推导出狭义相对论公式，也就是人么熟悉的洛伦兹变换。只要有相对运动，就会观察到运动的物体的“尺度收缩”、“时间变慢”等效应（高速时较为明显）。从此时间与空间都跟运动联系在一起，再也没有“绝对时间”和“绝对空间”了，时间与空间一起形成一个整体的“时空”。

举个实际的例子可能就好理解了，我们在实验室观察到μ子（缪子，轻子的一种，由π介子衰变而来）的半衰期为2.2微秒，而在宇宙射线中（粒子速度接近光速）观察到的μ子的半衰期要大于2.2微妙；这说明在高速运动中μ子上的时间确实变慢了，它的寿命变长了。但是反过来，如果我们跟着高速μ子一起旅行，我们会发现，这种“高速”μ子的半衰期还是2.2微妙，跟在实验室中观察是一样的；相反，这时再观察实验室中的μ子，那里的μ子的寿命变长了。所以狭义相对论效应是因为“光速不变”导致的观察上的效应，实际当中，我们（在我们的“惯性系”中）不可能跟着μ子去旅行，我们只能看到旅行中的μ子的奇异现象。

狭义相对论只能描述“惯性系”之间的现象，实际宇宙中物体间存在着引力（万有引力瞬间传递作用与狭义相对论相抵触），爱因斯坦在提出狭义相对论之后就开始考虑把相对论推广到有引力存在的情况下（非惯性系）。他发现牛顿力学中有两个质量定义，一个是引力质量，决定着物体之间万有引力的大小，质量越大，引力越大；另一个是惯性质量，决定物质运动状态改变的难易程度，在一定的作用力的情况下，质量越大，加速度越小（实际上，一个物体受力越大，加速度越大，其惯性质量可以看作是受力与加速度的比例系数）。同一个物体具有这两种质量属性，在使用中未加区别，具有同等的数值。爱因斯坦认为这两种质量是等效的，这就是广义相对论的“等效原理”，这个假设真是简单之极。等效原理的另一个表述是：引力与惯性力无法区分，它们属于同一种力。我们设想在一个封闭的箱子里（通常用电梯来比喻），有一只神手推动箱子加速运动，我们在箱子里感到受到一个惯性力作用，使我们站在箱底上；当把箱子放置在一个大质量物体附近时，同样感到受到一个力使我们站在箱底上，我们察觉不到二者的差别。反过来讲，呆在空间中不受任何力（或者合力为零）的箱子里，与呆在一个在大质量物体的引力场中自由下落的箱子里的感受一样。这说明在引力场中自由下落的局域参考系与惯性系等效。

这样，就可以把相对论推广到所有参考系中，使得一切物理定律在一切参考系中保持相同的形式。不过且慢，这种推广暂时还不是那么容易，让我们还是再来看看在自由下落的箱子里的情形。与惯性力的效果不一样的是，在大质量物体附近有一个引力中心，假设随我们在箱子里一起下落的还有4个苹果（应该是4个质点），在我们上下左右各1个，随着箱子向引力中心的靠近，我们会发现左右2个苹果不受任何力的作用会彼此靠近（因为它们都向质量中心坠落），上下2个苹果会彼此远离，我们在箱子里没有发现它们受到力的作用。这说明这个下落的箱子还不是完全意义上的惯性系，有质量存在的空间不是平直的，必须要对它进行“改造”。这一改造花了爱因斯坦若干年的时间，直到他发现黎曼几何问题才得到解决。比如在黎曼几何中2个平行运动的点可以彼此靠近或远离（就像在地球表面），这样就可以用黎曼几何把有质量存在的空间“改造”成理想的惯性系，代价是空间“被扭曲”。所以广义相对论只要使用黎曼几何就能符合等效原理。爱因斯坦在1915年推出了广义相对论，给出了引力场方程。这是一个优美的张量方程，其中一项是能量动量张量，只要把空间的质量分布与运动状态代入方程，就可解出空间的弯曲和物质的运动（引力场方程的求解是个高难度的工作）。引力场方程中没有了引力，但它可以解决牛顿力学不能解决的问题。质量的作用不再是产生引力，而是使它所在的空间发生弯曲。人们都喜欢用一个（不太贴切的）比喻，就像一个铅球放在一张拉紧的弹性膜上，平直的膜产生了变形。物体在弯曲的空间中沿着最短路径运动，相当于“惯性”运动，运动的轨迹就是广义相对论的“短程线”，也称为“测地线”（因在地球表面上两点间最近距离是一条曲线而得名）。如果这个运动的物体具有自旋角动量的话，它的自转轴会沿短程线进动。这种效应是广义相对论的一种“较强的”实验验证方法，这被称为广义相对论的“短程线效应”。

广义相对论的验证

从逻辑来说广义相对论是没有问题的，但这样“设计”出来的理论能否与实验或者观察相一致呢？爱因斯坦最先解决的问题是水星的近日点的进动。按照牛顿定律，若没有外部干扰的话，水星的椭圆轨道不会变化，它的长轴或短轴永远指向同一个方向。考虑到金星等的影响，也不能说明水星近日点观测到的超常进动量，每100年多出43角秒。爱因斯坦用广义相对论计算出这43角秒来历，但这似乎有“拼凑”的嫌疑，不能令人服气。

接着爱因斯坦用广义相对论预言了光线在引力场中的弯曲，并指出经过太阳边缘的星光有1.74角秒的弯折（按照牛顿力学，把光看做粒子也可计算出光的偏着，只是偏折量较小）。我们熟知的故事是，英国物理学家爱丁顿率领观测队于1919年5月29日在日食发生时观测星光的弯曲，号称得到了肯定的结果，验证了广义相对论的预言，一时间爱因斯坦和他的广义相对论名声大振。实际上，从科学意义上这次观测并不能说充分验证了广义相对论，后来天文学家又进行了多次观测，最后（1976年）得到太阳边缘处射电源的微波被偏折为1.761″±0.016″。终于以误差小于1％的精度证实了广义相对论的预言。

广义相对论的一个预言就是引力红移，由于在强引力场中时钟会变慢（时间膨胀），从大质量物体附近发出的光的频率变慢，光谱向红端移动。1925年美国威尔逊山天文台的亚当斯观测了天狼星的伴星天狼A，这是个白矮星，密度极大，观测从它发出的谱线发生了红移，与广义相对论的预计基本相符。天文观测有很大困难，主要是因为引力红移比相对运动造成的多普勒频移还要小，两者难以区分。1965年美国科学家用穆斯保尔效应在地球引力场中检测的引力红移的结果为理论值的0.9990±0.0076，偏差小于1％。

实际上，引力红移效应已经用于我们的生活。在卫星定位系统中，卫星上的原子钟要与地面的原子钟保持高度的一致。但卫星上的原子钟既受到狭义相对论的影响使时钟变快，又受到广义相对论的影响使时钟变慢，总体上每天要变慢百万分之三十八点六秒，若不校正，会导致位置偏差11千米之多。所以在卫星定位系统必须要考虑相对论效应。

引力探测B的意义

除了“短程线效应”，广义相对论的解中还得到另外一个预言，这是一种微弱的时空扭曲，即一个旋转的物体（特别是大质量物体），导致空间在弯曲之外，还会因为旋转而产生另一种使空间扭曲的 “惯性系拖曳效应”，可使在此空间运动的物体产生微小的偏转。计算显示，地球的这一效应，将使在空间运行的陀螺仪的自转轴发生千分之41弧秒的偏转，这个角度大概相当于从华盛顿观看一个放在洛杉矶的硬币产生的张角。

为了探测到这样两种微小的效应，引力探测B实际就是由4个高精度的陀螺仪构成，只是这些陀螺仪是世界上最精致的仪器，陀螺仪的转子堪称世界上最完美的球体。引力探测B”于2004年4月20日发射升空，在距离地球约640千米的极地轨道上开始运转时，4个回转仪自转轴和一架望远镜同时对准指向飞马座的双星HR8703（又称IM Pegasi）。如果地球引力不影响时间和空间，那么回转仪自转轴将一直指向初始方向。实际观测结果是，受地球质量导致的时空弯曲和地球自转的拖曳，回转仪自转轴方向发生了可测量的细微偏移。2007年4月美国航天局宣布“引力探测器B”的陀螺仪测得的数据清晰地证实了爱因斯坦的理论对“短程线效应”的预言的误差低于1%。由于参考系拖拽效应要比短程线效应弱170倍，要排除各种可能的干扰，直到2011年5月4日才宣布实验数据证实了爱因斯坦广义相对论预言的“惯性系拖拽效应”。

如美国航天局天体物理学家威廉·丹奇所说：“这项成果对理论物理学具有长期影响，将来要想挑战爱因斯坦的广义相对论，就必须获得比“引力探测器B”观测结果更精确的数据。”