1、【相對論驗證實驗系列】實驗1 1927年（獲諾貝爾獎年）康普頓效應實驗于1923年由康普頓（A.H.Compton）等人完成.我國著名物理學家吳有訓（原中科院副院長） 參加了這個工作.實驗的實質是電子（或輕原子）對高能光子（X射線）的散射.實驗發(fā)現(xiàn):在不同的散射角,光的波 長不同.康普頓把X射線看成具有能量，動量的粒子流與電子發(fā)生碰撞，利用相對論力學處理, 理論計算結果與實驗符合.下面這段話，是康普頓1923年論文X射線在輕元素上散射的量子理論的結論:對這個理論 的實驗證明,非常令人信服地表明.輻射量子既帶有能量,又帶有定向的動量.康普頓效應驗證了相對論力學的正確性.實驗2.電子偶的產生與湮滅

2、正負電子對稱為電子偶.正電子的電荷與電子相反，帶有一個單位的基本電荷，質量與電子相 同.它們互為正反粒子.正電子是1928年首先由狄拉克（P.A.M.Dirac）在理論上預言,1932年由安德孫（C.D.Anderson） 在宇宙射線中觀察到.為此安德孫（C.D.Anderson）獲得了 1936年的諾貝爾獎.理論上把電子，正電子，高能光子都看成具有能量，動量服從相對論力學規(guī)律的粒子，用相對論 力學計算它們碰撞前后的能量,動量;實驗測量這些粒子碰撞前后的能量，動量，實驗與理論計 算符合.90年代前后中科院華中分院在這方面作了很多有價值的工作，在當時的學術期刊上都能查 到.（近期如何?我不清楚）

3、實驗3.穆斯堡爾效應把Y光子,原子核看成具有能量，動量的高能粒子,服從相對論力學規(guī)律.當原子核發(fā)射Y光子 時，應該有反沖.相對論理論能計算出這個反沖,實驗能測出這個反沖，兩者一致.其中一個后果 是使得光譜線展寬,頻率不單一.穆斯堡爾（R.L.Mossbauer）效應是一種無Y射線的共振吸收現(xiàn)象.為此獲得了 1961年諾貝爾 獎.以上三個實驗共同點都是:把光子看成具有能量，動量的粒子，光子與其它粒子相互作用（碰撞） 滿足相對論力學的要求.說明相對論的兩個假設的重要推論:相對論力學與實驗一致.值得強 調的是:理論發(fā)表在先，實驗在后,不存在湊數(shù)據(jù)的問題.（如果倒過來實驗在先，理論在后，人們 就有這個

4、懷疑，例如麥克爾蓀-莫雷關于測以太風的實驗，有些人就有此看法.認為:你愛因斯 坦在湊數(shù)據(jù).）這就是三個實驗的價值.實驗4.引力紅移光子具有能量hv，等效地具有質量m=hv /cc.于是，光子在引力場中具有引力勢能.根據(jù)能量 守恒，從恒星表面射到地面的光子,能量應該減少.即頻率變少.相對論理論計可以算出這個頻率移動，實驗測出這個移動，兩者一致.應該說明:引力紅移是一個非常精細的效應.發(fā)光原子熱運動和恒星運動所引起的光譜線多普 勒移動，都比引力紅移大得多.觀察恒星光的引力紅移十分困難.這是事實.但是人們觀察到了， 并且觀察結果與理論計算結果一致.例如實驗室觀察到氫紅線的波長是6562.10埃（10

5、的負8次方厘米），太陽光譜中的氫紅線波長 比上面的長，波長差是0.0130埃.理論與實驗沒有矛盾.說明:本實驗結果作為相對論的實驗驗證有點勉強，原因是多普勒效應比引力紅移大得多.但 是作為與相對論不矛盾的實驗又是可以的.實驗5將解決這個問題.插入一個樓,說點題外話.歡迎吧友往樓內補充實驗.為了便于以后的討論，建議插入實驗時,按本樓的編號.例如現(xiàn)在插 入，編號就是實驗5等.（因為前面已經(jīng)有實驗4）.1905年愛因斯坦提出相對論后，很多人都考慮如何用實驗來驗證相對論或否定相對論.從實 驗物理角度看，關鍵的物理量是時間或頻率.在相當長一段時間內，我們測量時間的精度約為 10的負12次方（秒）左右，這

6、種精度測量光速，（用c=s/t）要取得滿意結果大概不現(xiàn)實.（當年M-M 實驗還沒有這個精度）驗證相對論本來也可以用譜線的紅移或藍移,但是我們沒有頻率比較單一的光源.由于接收時 有反沖，我們也很難準確地判別出入射光的頻率.技術上的困難導致實驗誤差相當大,如何減 少實驗誤差，一直是實驗工作者追求的目標.上世紀50年代后期，實驗技術有了質的突破，先是發(fā)現(xiàn)了穆斯堡爾效應，后發(fā)明了激光,這兩項 技術使我們獲得較為單一頻率的光源,能準確地測量入射光的頻率（回避了多普勒效應），緊跟 著是光刻技術提高，出現(xiàn)了每毫米數(shù)百條刻線的光柵，大大地提高了分光技術,最后就是飛秒 （10的負15次方秒）技術的研究與突破.這

7、些技術與儀器,大大提高了測量的精度.新一輪驗證 相對論的實驗打響了.這些從事實驗研究的物理學家，他們對有關理論（包括相對論）的態(tài)度是:不支持，也不反對.不 事先給自己設下框框.一切從實驗出發(fā)，讓實驗說話.做完實驗，就用實驗數(shù)據(jù)與理論比較，符合 的支持，不符合的反對.我認為這種實事求是的態(tài)度很值得吧友借鑒.實驗5.丫射線的紅移與藍移.這是一個十分有名的實驗.實驗特點是在地球上同時做紅移，藍移實驗,驗證相對論.1959年龐德（R.V.Pound和瑞布卡（C.A.Rebka）在美國哈佛塔完成了一個著名的實驗.他們把發(fā) 射14.4keV（1.44萬電子伏特）Y光子的放射源放到塔頂，在塔底測量它射出來的

8、Y光子頻率v . 然后再倒過來，把放射源放到塔底，在塔頂接收.塔高22.6米.根據(jù)能量守恒（光源在頂部）hv （發(fā)射）+mgH=hv （接收）.其中光子質量m=hv （發(fā)射）/cc然后計算頻率差與頻率的比.計算結果是2.46X10的負15次方測量結果是（2.57正負0.26）X10的負15次方.這是一個非常精細的效應.他們用一年前（1958年）剛發(fā)現(xiàn)的穆斯堡爾效應，測出了譜線的藍移 及紅移.順便說明一下：80年代美國學者把這個成果改編成試題，在CUSPEA考試中，就有這個題目.有 關數(shù)據(jù)幾具體的實驗過程都可以在這個試題中查到.下面我們先列舉幾個大家熟識的驗證相對論的實驗，這些實驗在相當多的參考

9、書上都被引用 過.實驗6.地面上的|J子流實驗證實:地面上的p子主要來源于大氣上層.在大氣上層，高能宇宙線與原子核發(fā)生碰撞會 產生p子，在p子靜止的參考系中，p子產生與衰變于空間同一點，在這個參考系中測量得到 p子的（固有）壽命約為T=2.2微秒（10的負6次方秒）.實際上p子的速度相當大,十分接近光速.即使按光速計算，如果不考慮相對論，p子在衰變前 通過的路程s=cT=660m地球大氣層大約厚度為100km.按次推算,p子在到達地球之前早就衰變了，地面上不可能觀 察到p子流.但實際上,地面宇宙射線p子流相當強，高達每秒每平方米500個.也就是說:如果 你躺在原野上，平均每秒鐘約有100個p子

10、打到你身上!這已經(jīng)給人類的正常生活造成影響. 引起了物種變異.為什么有那么多p子能夠穿過大氣層到達地面？這是由于相對論的時間膨脹效應.地面參照 系測得的p子平均運動壽命為0.33X10的負3秒，大約是固有壽命的1000倍.此時p子速 度為 v=0.999978c人造地球衛(wèi)星能測量不同高度的IJ子流強度，相關數(shù)據(jù)都轉送到各自國家的科研組;相對論理 論能算出不同高度M子流的強度.如果兩者有矛盾，一定有報導.直到現(xiàn)在，我們沒有看到過任 何有矛盾的報導.實驗7.n介子壽命與實驗6大同小異.n介子固有壽命T=2.60 X10的負8次方秒，當n介子的速度達到v=0.913c 時,由相對論有關公式計算得到壽

11、命為6.37X10的負8次方秒.相關實驗證實了這個結果實驗8.雙胞胎效應60年代原子鐘問世后，美國大一些原子鐘留在地面,把其中一臺放到飛機上繞地球飛行，然后 再拿回來與地面上的鐘比較.實驗發(fā)現(xiàn):飛機上的鐘慢了 10的負7秒.如何解釋這個效應?是用狹義相對論還是廣義相對論?也許存在分歧，（見前些日子本吧的討論） 但是共同點都是:要用相對論解釋.實驗9.n介子的Y衰變在高能加速器中產生n介子，其相對于實驗室的速度十分接近光速.它在飛行中衰變，發(fā)出Y 光子.如果按經(jīng)典力學的速度疊加，這些Y光子的速度應該在0到2c之間，但實驗發(fā)現(xiàn):這些Y 光子的速度仍然是c.這個實驗直接證明了光速不變假設.實驗10.

12、斯坦福直線加速器中的電子.本實驗直接驗證相對論速度疊加法則.電子沿一根三公里長的直真空管飛行，被電磁場反復加 速，每加速一次，電子的速度就增加一點.但隨著電子速率增大（接近光速）加速越來越困難.這個加速器可以把電子加速到20GeV（GeV是10的9次方eV）.當電子加速到10GeV時，（實 驗室系）速度只比光速小0.39m/s，在增加另一半10GeV的能量時，在實驗室系中,電子的速度僅 僅增加了 0.20m/s,直接驗證了速度疊加法則.實驗11.中子引力干涉.如圖接收屏幕（或儀器）._.處表示縫.兩縫中心位于同一水平面一束單色平行光，垂直入射到圖中的雙縫，屏幕上有明暗相間的干涉條紋.這是楊氏雙

13、縫干涉.1974年，有人用能量動量一定的中子代替單色平面光波，首次觀察到中子干涉效應.隨后中子 引力干涉儀小批量生產.人們可以用該儀器進行中子引力干涉實驗.該實驗原理仍如上圖.差 別僅僅是:在中子到達雙縫前一段L長的路程上讓兩束入射中子，一束在上，另一束在下，高度 差為H.到達雙縫之前在返回同一高度.由于地球引力場的影響,上束中子比下束中子動量小.注意到在微觀領域，動量與波長有關，因 此兩束入射中子在到達雙縫前就有位相差，結果是屏幕上原來的干涉條紋應該移動.理論能算 出移動的多少，實驗能測出移動的多少.在實驗誤差范圍內兩者一致.本來這是一個微觀粒子波-粒二象性方面的實驗，怎么會與相對論掛上鉤？

14、由能量守恒：(下方中子動能)-(上方中子動能)=mgH.(1)上式兩邊都出現(xiàn)中子的質量，但是這兩個質量的意義是不同的.左邊的質量是慣性質量，右邊 的質量是引力質量.70年代后期，這類實驗有多個科研組在重復，最后大家得到相同的結論:中 子引力干涉實驗表明：慣性質量=引力質量有興趣的吧友可以查看當年的專業(yè)期刊.實驗12.雷達回波延遲實驗夏皮羅(I. Shapiro)于1964年提出用雷達回波延遲實驗檢驗廣義相對論的建議.廣義相對 論認為，物質的存在和運動造成周圍時空的彎曲，光線在大質量物體附近的彎曲可以看作一 種折射，相當于光速的變慢.從地球上向某一行星發(fā)射一束雷達波，雷達波到達行星表面后 被反射

15、回地球，就可以測出來回一次所需的時間.將雷達波經(jīng)由太陽附近傳播的來回時間與 遠離太陽附近傳播的來回時間相比較，就可以得到雷達回波延遲的時間.夏皮羅領導的小組先后對水星、金星、火星進行了雷達回波延遲實驗，后期的實驗數(shù)據(jù)與廣 義相對論理論值的不確定度已在1%左右.20世紀80年代初，利用在火星表面登陸的“海 盜號”探測器反射雷達波，已使雷達回波延遲實驗測量值的不確定度減小到0.1%，有力地 支持了廣義相對論理論.這被認為是廣義相對論的第四個重大驗證實驗.實驗13.光線在引力場的偏移試驗 在一個足夠大的引力場的作用下，空間和時間將發(fā)生“彎曲”。這一理論顯然完全不同于人 們對空間和時間的經(jīng)驗認識，也顛

16、覆了以牛頓經(jīng)典物理學為基礎的空間、時間理論。愛因斯 坦以驚人的天才提出了這一理論，并已經(jīng)對其進行了近乎完美的數(shù)學論證。當時擔任劍橋大學天文臺臺長的愛丁頓組織了兩支觀測隊，一支由當時的格林尼治天文臺臺 長弗蘭克華生戴森率領，前往巴西的索布拉爾；另一支則由愛丁頓親自帶隊，前往非洲 西部的普林西比島，當時這是觀測日食效果最好的兩個地點。Robin Carchpole博士說，愛 丁頓在某種意義上說是這兩支隊伍共同的“智力領袖”。兩支隊伍采用了不同的觀測方法。 格林尼治天文臺的隊伍在觀測完日食時的恒星位置之后，于6個月后返回同一地點，此時太 陽已經(jīng)離開原來天區(qū)，這些恒星能夠在夜間觀察到，并且完全不再受太

17、陽引力場的影響。他 們將6個月后的恒星位置與日食時的恒星位置進行比較，以判斷太陽對光線的影響。愛丁頓 則采取另一種方法，請身在英國的研究人員在夜間觀察金牛座的這批恒星（由于身處地球不 同位置，普林西比只能在白天看到這些星星，英國卻可以在夜里看到），將所得的恒星位置 與他觀察到的進行比較。由于兩種方法的不同，在弗蘭克華生戴森還在準備進行第二次 對比觀測的時候，愛丁頓已經(jīng)于1919年6月非正式地宣布了他的觀測結果。實驗14.水星近日點的進動水星進動.水星的軌道偏離正圓程度很大，近日點距太陽僅四千六百萬千米，遠日點卻有 7千萬千米，在軌道的近日點它以十分緩慢的速度按歲差圍繞太陽向前運行，稱為水星進

18、動。水星近日點的進動水星是距太陽最近的一顆行星，按牛頓的理論，它的運行軌道應當是一個封閉的橢圓。實際 上水星的軌道，每轉一圈它的長軸也略有轉動。長軸的轉動，稱為進動。經(jīng)過觀察得到水星 進動的速率為每百年1 33 20 ，而天體力學家根據(jù)牛頓引力理論計算，水星進動的速率 為每百年1 32 37 。兩者之差為每百年43，這已在觀測精度不容許忽視的范圍了。為了給這個差異一個合理的解釋，曾經(jīng)成功地預言過海王星存在的天文學家勒維耶預言在太 陽附近還有一顆未被發(fā)現(xiàn)的小行星。由于這顆小行星的作用，導致了水星“多余”進動。經(jīng) 過多年仔細的搜索，無人發(fā)現(xiàn)這顆小行星?？磥砝站S耶的神算這一次落空了。原因在哪里?原來

19、在牛頓力學里，行星自轉是不參與引力相互作用的。在牛頓的萬有引力公 式中只有物體的質量因子，而沒有自轉量，即太陽對行星的引力大小只與太陽和行星的質量 有關，而與它們的自轉快慢無關。但是，在廣義相對論里，引力不僅與物體的質量因子有關，而且也與物體的自轉快慢有關。 兩個沒有自轉的物體之間的引力與它們自轉起來之后的引力是不同的。這一效應會引起自轉 軸的進動，行星在運動過程中，它的自轉軸會慢慢變化。對于太陽系的行星來說這個效應太 小了，不易被察覺，更何況還有其他的因素也會造成行星自轉軸的變化。根據(jù)愛因斯坦引力場方程計算得到的水星軌道近日點進動的理論值與觀測值相當符合。此 外，后來觀測到的地球、金星等行星

20、近日點的進動值也與廣義相對論的計算值吻合得相當好。實驗15.太空重力實驗GP-BEinstein的相對論自創(chuàng)立已經(jīng)將近九十周年了，是世界上最難驗證的理論之一。重力探測器 B (GP-B)于2004年4月被送上軌道( HYPERLINK )，用于一項為期兩年探測 “時空結構拖曳(frame-dragging)效應”的實驗。該原理最早出現(xiàn)于1918年，由奧地利物 理學家Josef Lense和Hans Thirring共同提出。他們根據(jù)Einstein的相對論原理推斷，在旋 轉物體周圍的時空結構可能會發(fā)生扭曲，因此拖曳效應也被稱為Lense-Thirring效應”。此次實驗的關鍵在于陀螺回轉儀的設

21、計，GP-B有四個陀螺回轉儀，其轉子用熔化的石 英制成幾近絕對的球形。這種乒乓球大小，近乎完美球形的回轉儀是進行實驗所必需的，因 為任何瑕疵都會影響回轉儀的位置：在實驗中它們應該指向一個參照恒星。既然拖曳效應會 改變時空的結構，因此理論上它也會影響陀螺回轉儀的位置。然而，回轉儀自身的任何瑕疵 同樣也會引起其位置的改變，影響試驗的 準確程度。工程師們在不干擾轉子旋轉的情況下，利用三個碟型電極將其懸空在回轉儀之中。為了 保持轉子持續(xù)穩(wěn)定旋轉，工程師向回轉儀中導入平穩(wěn)的氦氣流，同時，他們使用了超導量子 干涉儀(SQUID)，利用超導特性作為轉子是否受到干涉的指示，探測轉子軸向的任何角度 位移。盡管G

22、P-B還要在太空持續(xù)運行大約十四個月，但是現(xiàn)在工程師們已經(jīng)取得了相當?shù)某?績，他們成功地組裝了陀螺回轉儀，近乎完美地祛除了地球磁場的影響，并且成功地對探測 器進行遙控和導向。本實驗正在進行中，詳：專題Gravity Probe B HYPERLINK /f?kz=303344137 /f?kz=303344137實驗16:狄拉克方程狄拉克按相對論要求，于1928年提出狄拉克方程.狄拉克用它不僅算出了氫原子光譜的精細 結構，解釋了電子的自旋角動量和固有磁矩，進一步還預言了正電子的存在.這些結果都與當 時的實驗符合，也得到后來新實驗的支持.為此獲得1933年的諾貝爾獎.把狄拉克方程看成是相對論在微

23、觀領域的一個應用,象相對論力學在宏觀領域應用一樣，實驗 對狄拉克方程的支持就是對相對論的支持.實驗17.反粒子與高能y光子1932年正電子發(fā)現(xiàn)后,人們相信質子，中子等粒子也應該存在相應的反粒子，尋找反粒子成了 當時的科學前沿.隨后反質子，反中子相繼發(fā)現(xiàn).人們用相對論力學作為理論工具，處理粒子,反粒子，高能Y光子的散射問題，湮滅問題，得到了 相當滿意的結果.這類實驗事實相當多，從來沒有發(fā)現(xiàn)相對論出問題.插入一層樓,說點題外話.牛頓力學得到但是人們的支持,除了它能解釋當時有的實驗事實外，還預言了一些新現(xiàn)象，幫 助人們發(fā)現(xiàn)新天體.當時已知的行星僅有地球，金，木，水.火，土及天王星.人們用新出現(xiàn)的牛頓

24、力學去計算天王星的 軌道，發(fā)現(xiàn)理論計算與實際觀察有偏離.要解決這個偏離，只有兩種可能：牛頓力學在天體領域有問題，要修改，甚至放棄！在天王星外還存在一個質量十分可觀的未發(fā)現(xiàn)的行星.后來找到了天王星，大大增強了人們對牛頓力學的信心.我將發(fā)的下一個實驗，與上面所說的有點類似.我打字慢，也慢慢發(fā),吧友們不妨猜猜看,到底相 對論(加上別的理論)預言了什么新現(xiàn)象?猜中的應該有獎!當然時間是在我發(fā)出下一個帖子之實驗18.中微子的發(fā)現(xiàn)早在相對論之前，人們就發(fā)現(xiàn)了8衰變,后來進一步認證了P粒子就是電子!發(fā)現(xiàn)中子后，人們 認為：8衰變的實質就是中子衰變成質子+電子;(1)或(在原子核內)質子衰變成中子+正電子.(

25、2)我們只討論(1).實驗發(fā)現(xiàn)出射電子有動能.由相對論的質量能量關系，有電子動能Q=(中子質量-質子質量)cc(3)這是當時公認的相對論質量能量關系式,根據(jù)這個公式，由于右邊中子質量，質子質量都是常 量，光速c也是常量，因此Q值也應該是常量.但是實驗明確表明:電子的動能Q是連續(xù)變化的! 反復測量都是這個結果.1930年,Pauli(泡利)提出:要滿足衰變前后能量動量守恒及其它一些守恒條件，衰變產物除了 質子及電子外，一定存在另一種還沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子，這就是后來發(fā)現(xiàn)的(電子性反)中微子.實驗7.n介子壽命與實驗6大同小異.n介子固有壽命T=2.60 X10的負8次方秒，當n介子的速度達到v=0.

26、913c 時,由相對論有關公式計算得到壽命為6.37X10的負8次方秒.相關實驗證實了這個結果.作者：南澳洲2008-2-13 11:11回復此發(fā)言 南老師這里講得不多，冒昧補充一點。日本曾進行利用n介子治療癌癥的研究。但由于n介 子只有1億分之1秒的壽命，必須利用加速器加速到接近光速，才能使其壽命延長到可利用 的程度。這項研究已經(jīng)進行到了臨床階段（網(wǎng)上可查），但聽說由于副作用，最近該研究熱 度有所下降。盡管如此，也算是證明相對論正確性的一例。實驗19.激光致冷設想在滑冰場上有一個質量很大的大胖子，閉上眼睛在滑冰，略去摩擦力.現(xiàn)給你很多小氣球, 允許你用這些小氣秋砸這個大胖子，你能讓他停下來嗎？應該可以，條件是:小氣球要足夠多，有很多人幫忙砸.上世紀后期，高功率的激光器研制成功，人們利用激