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图：用广义相对论解释的行星公转

根据广义相对论，物体的质量使时空扭曲，产生引力。因此，行星沿着由太阳的质量扭曲的时空“旋涡”(凹陷），围绕太阳公转。

光发生弯曲，时间的流逝变慢……通过无数实验验证

广义相对论的正确性，已经通过各种各样的检验实验和天文观测得到了证明。其中之一是“水星的近日点进动”。所谓近日点，是行星以椭圆轨道绕太阳运转时，离太阳最近的位置。水星受到金星等其他行星的引力的影响而偏离轨道，近日点随时变化，每圈都不相同。观测值是每100年偏离574角秒（1角秒是1°的1/3600）。

根据牛顿的万有引力定律计算出的近日点进动比实际观测到的小43角秒。因此，人们认为除了已知的行星之外，一定还有未知的行星的引力在影响水星的公转轨道，所以一直在寻找这个未知的行星。

但是，从广义相对论的时空扭曲的观点出发来计算，距离、角度的值与假设是平坦的空间中的牛顿力学的计算值不同，但却和实际观测值完全一致。

通过太阳附近的光，弯曲程度和计算上完全一致

验证广义相对论正确性的另一个实验是光的弯曲现象。就在广义相对论发表后不久的1919年，日全食发生时在西非和巴西分别进行了观测，测量来自于遥远恒星的光绕过太阳到达地球的路径。根据广义相对论，时空受太阳质量的影响而弯曲，通过太阳附近的光应该被弯曲而到达地球。这时观测到的星的位置应该偏离了实际的位置。因为太阳很亮，这种观测只能在日全食时进行。观测的结果是，在太阳附近看到的星光和根据广义相对论计算的结果没有矛盾，弯曲了1.6角秒。

现在，不需要趁日全食时观测在太阳近旁能看到的恒星了。利用射电望远镜，就能高精度地观测到类星体（quasar，一种在遥远星系中释放出高能量的巨大黑洞）放出的射电波通过太阳附近被弯曲的程度。射电波（无线电波）与光一样是一种电磁波，眼睛看不见，但是观测起来却不受太阳的可见光的影响。观测到的射电波的弯曲程度，和广义相对论预测的值相差不到1%。即在这个误差范围内可以说是完全一致的。

火星探测器“海盗号”(Viking）对广义相对论的验证

如同在前面介绍的那样，物体的质量不仅使空间弯曲，也使时间“弯曲”。也就是说：在引力强的地方，时间流逝变慢。

引力使时间的流逝变慢的实验，由1975年发射的火星探测器“海盗号”进行。1976年11月26日，火星、太阳和地球三者处于一直线上（火星合日）。利用火星合日的机会，让着陆在火星表面的火星探测器“海盗号”和地球之间往复通讯，观测无线电波的往复时间。在太阳附近，引力变大，时间的流逝变慢。并且太阳的质量使得时空扭曲，无线电波的传播方向发生弯曲，仅此就使往复时间变长。根据广义相对性原理的计算结果，预测将会发生250微秒的延迟。

观测的结果，越接近火星合日的时间，往复于地球和火星之间的无线电波花费的时间就越长。并且在火星合日时电波的延迟完全符合根据广义相对性原理的计算结果（见左页插图）。

GPS卫星体验时间流逝的变化

引力使时间变慢的现象，显著表现在用于车载导航系统等的GPS卫星上。车载导航是车辆接受来自于GPS卫星的无线电波，用无线电波到达所需的时间和速度求得距离，从而求得车辆的当前位置。

盘旋在2万公里高空的GPS卫星，和地面相比受到地球的引力影响小，因此，装载在GPS卫星上的时钟比地面上的时钟每天快45.7微秒。并且，由于“速度越快的物体，时间流逝越慢”（狭义相对论效应），使得GPS卫星上的时钟比地面上的时钟每天慢7.1微秒。两者叠加，每天要快38.6微秒。车载导航系统必须补偿这些时差，否则误差就会大得使之无法使用。

太阳光的波长随着时间的变慢而变长

时间变慢也就是光波的振动变慢（光是电磁波）。波的振动变慢就是波的波长（波峰和波峰之间的距离）变长。

也就是说，引力强的地方时间流逝慢，从引力弱的地方看，波的振动变慢、波长变长（下面的插图）。实际上，从太阳表面各个原子中发出的光，在太阳的强大引力下向地球前进，波长被拉长，这和用广义相对论计算的结果是一致的。

（本文发表于《科学世界》2015年第5期）