從証實重力波的存在看廣義相對論經典實驗

1916年愛因斯坦發表的廣義相對論重新定義了物理學的時間及空間，並提出重力是質量影響時空(space-time)結構所呈現出來的。過去，廣義相對論已成功解釋了種種關於引力的現象，包括跌下的蘋果、行星的軌道、逐漸遠離的星系等…… 2016年初，天文學家團隊終於排除萬難發表了直接觀測到重力波的發現，證實了一百年前愛因斯坦對重力波存在的預示。說這項發現是本年度最重大的天文學新聞相信沒有異議，而透過重力波觀測宇宙更必定會為科學發展揭開重要的一頁。

其實早於百年前愛因斯坦已寫下可以驗證廣義相對論的幾個經典實驗，包括星光經過太陽附近會偏折、水星軌道的近日點進動，以及重力紅移現象。

第一個證實並且令廣義相對論揚名世界的實驗發生在1919年的日全食。科學家愛丁頓(Sir Arthur Stanley Eddington)在西非普林西比島(Príncipe)以電報向全世界傳送他的日全食觀測結果。他成功觀測到遙遠星光受到太陽的引力影響而彎曲，而彎曲的幅度與廣義相對論的計算結果吻合，且與傳統的牛頓力學有兩倍之多的差異。而現今我們稱這種利用大質量天體來偏折光線的情況為重力透鏡效應(gravitational lensing)，成為了探索宇宙的新利器。

1919年愛丁頓觀測日全食時量度到星光經過太陽附近會偏折

Credit: Illustrated London News

重力透鏡

圖片來源﹕NASA

另一方面，法國天文學家勒威耶(Urbain Le Verrier)於1859年發現水星軌道近日點的進動(Precession)情況與理論值有所偏差，實際觀測到的數值並不能完全利用牛頓力學計算來準確解釋。他甚至認為有一顆稱為火神星(Vulcan)的未知天體位處在太陽和水星之間，水星的軌道因此受其擾動影響。直至廣義相對論出現以後，人們終於知道根據廣義相對論能計算出吻合的水星近日點進動數值，此為驗證廣義相對論的重要證據之一。

1959年，哈佛大學進行了著名的龐德–雷布卡實驗(Pound–Rebka experiment)，成功驗証了廣義相對論預示的重力紅移現象 - 光的頻率會在重力場中不同的地方而改變﹔亦即等於時鐘在重力場中不同的位置有不同的運作速率。重力紅移現象在我們每次使用GPS服務的時候其實亦積極發揮作用。因為GPS衛星在計算位置時，必須同時考慮相對性效應，以確保測量結果的精準。

在這百年間，經過了無數科學實驗的挑戰，依然未能夠動搖廣義相對論的準確性。2016年激光干涉儀重力波觀測站(Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory, LIGO)首次成功各自直接偵測到重力波，實驗結果再一次加深了廣義相對論的可靠性。始創羅奈爾特．德雷(Ronald Drever)、基普．索恩(Kip Thorne)、雷納．韋斯(Rainer Weiss)亦得到本年度邵逸夫天文學獎，以表彰他們對LIGO的構思和設計。

延伸閱讀：

宇宙漣漪—重力波
http://www.hokoon.edu.hk/weeklysp/1607_2.html

Einstein Centenary

http://www.light2015.org/Home/CosmicLight/Einstein-Centenary.html

The Mysterious Orbit of Mercury I The Great Courses

https://www.youtube.com/watch?v=hSXNE0pNtr8

天文導師
許浩強老師