相对论验证实验系列

1、【相对论验证实验系列】实验1 1927年（获诺贝尔奖年）康普顿效应实验于1923年由康普顿（A.H.Compton）等人完成.我国著名物理学家吴有训（原中科院副院长） 参加了这个工作.实验的实质是电子（或轻原子）对高能光子（X射线）的散射.实验发现:在不同的散射角,光的波 长不同.康普顿把X射线看成具有能量，动量的粒子流与电子发生碰撞，利用相对论力学处理, 理论计算结果与实验符合.下面这段话，是康普顿1923年论文X射线在轻元素上散射的量子理论的结论:对这个理论 的实验证明,非常令人信服地表明.辐射量子既带有能量,又带有定向的动量.康普顿效应验证了相对论力学的正确性.实验2.电子偶的产生与湮灭

2、正负电子对称为电子偶.正电子的电荷与电子相反，带有一个单位的基本电荷，质量与电子相 同.它们互为正反粒子.正电子是1928年首先由狄拉克（P.A.M.Dirac）在理论上预言,1932年由安德孙（C.D.Anderson） 在宇宙射线中观察到.为此安德孙（C.D.Anderson）获得了 1936年的诺贝尔奖.理论上把电子，正电子，高能光子都看成具有能量，动量服从相对论力学规律的粒子，用相对论 力学计算它们碰撞前后的能量,动量;实验测量这些粒子碰撞前后的能量，动量，实验与理论计 算符合.90年代前后中科院华中分院在这方面作了很多有价值的工作，在当时的学术期刊上都能查 到.（近期如何?我不清楚）

3、实验3.穆斯堡尔效应把Y光子,原子核看成具有能量，动量的高能粒子,服从相对论力学规律.当原子核发射Y光子 时，应该有反冲.相对论理论能计算出这个反冲,实验能测出这个反冲，两者一致.其中一个后果 是使得光谱线展宽,频率不单一.穆斯堡尔（R.L.Mossbauer）效应是一种无Y射线的共振吸收现象.为此获得了 1961年诺贝尔 奖.以上三个实验共同点都是:把光子看成具有能量，动量的粒子，光子与其它粒子相互作用（碰撞） 满足相对论力学的要求.说明相对论的两个假设的重要推论:相对论力学与实验一致.值得强 调的是:理论发表在先，实验在后,不存在凑数据的问题.（如果倒过来实验在先，理论在后，人们 就有这个

4、怀疑，例如麦克尔荪-莫雷关于测以太风的实验，有些人就有此看法.认为:你爱因斯 坦在凑数据.）这就是三个实验的价值.实验4.引力红移光子具有能量hv，等效地具有质量m=hv /cc.于是，光子在引力场中具有引力势能.根据能量 守恒，从恒星表面射到地面的光子,能量应该减少.即频率变少.相对论理论计可以算出这个频率移动，实验测出这个移动，两者一致.应该说明:引力红移是一个非常精细的效应.发光原子热运动和恒星运动所引起的光谱线多普 勒移动，都比引力红移大得多.观察恒星光的引力红移十分困难.这是事实.但是人们观察到了， 并且观察结果与理论计算结果一致.例如实验室观察到氢红线的波长是6562.10埃（10

5、的负8次方厘米），太阳光谱中的氢红线波长 比上面的长，波长差是0.0130埃.理论与实验没有矛盾.说明:本实验结果作为相对论的实验验证有点勉强，原因是多普勒效应比引力红移大得多.但 是作为与相对论不矛盾的实验又是可以的.实验5将解决这个问题.插入一个楼,说点题外话.欢迎吧友往楼内补充实验.为了便于以后的讨论，建议插入实验时,按本楼的编号.例如现在插 入，编号就是实验5等.（因为前面已经有实验4）.1905年爱因斯坦提出相对论后，很多人都考虑如何用实验来验证相对论或否定相对论.从实 验物理角度看，关键的物理量是时间或频率.在相当长一段时间内，我们测量时间的精度约为 10的负12次方（秒）左右，这

6、种精度测量光速，（用c=s/t）要取得满意结果大概不现实.（当年M-M 实验还没有这个精度）验证相对论本来也可以用谱线的红移或蓝移,但是我们没有频率比较单一的光源.由于接收时 有反冲，我们也很难准确地判别出入射光的频率.技术上的困难导致实验误差相当大,如何减 少实验误差，一直是实验工作者追求的目标.上世纪50年代后期，实验技术有了质的突破，先是发现了穆斯堡尔效应，后发明了激光,这两项 技术使我们获得较为单一频率的光源,能准确地测量入射光的频率（回避了多普勒效应），紧跟 着是光刻技术提高，出现了每毫米数百条刻线的光栅，大大地提高了分光技术,最后就是飞秒 （10的负15次方秒）技术的研究与突破.这

7、些技术与仪器,大大提高了测量的精度.新一轮验证 相对论的实验打响了.这些从事实验研究的物理学家，他们对有关理论（包括相对论）的态度是:不支持，也不反对.不 事先给自己设下框框.一切从实验出发，让实验说话.做完实验，就用实验数据与理论比较，符合 的支持，不符合的反对.我认为这种实事求是的态度很值得吧友借鉴.实验5.丫射线的红移与蓝移.这是一个十分有名的实验.实验特点是在地球上同时做红移，蓝移实验,验证相对论.1959年庞德（R.V.Pound和瑞布卡（C.A.Rebka）在美国哈佛塔完成了一个著名的实验.他们把发 射14.4keV（1.44万电子伏特）Y光子的放射源放到塔顶，在塔底测量它射出来的

8、Y光子频率v . 然后再倒过来，把放射源放到塔底，在塔顶接收.塔高22.6米.根据能量守恒（光源在顶部）hv （发射）+mgH=hv （接收）.其中光子质量m=hv （发射）/cc然后计算频率差与频率的比.计算结果是2.46X10的负15次方测量结果是（2.57正负0.26）X10的负15次方.这是一个非常精细的效应.他们用一年前（1958年）刚发现的穆斯堡尔效应，测出了谱线的蓝移 及红移.顺便说明一下：80年代美国学者把这个成果改编成试题，在CUSPEA考试中，就有这个题目.有 关数据几具体的实验过程都可以在这个试题中查到.下面我们先列举几个大家熟识的验证相对论的实验，这些实验在相当多的参考

9、书上都被引用 过.实验6.地面上的|J子流实验证实:地面上的p子主要来源于大气上层.在大气上层，高能宇宙线与原子核发生碰撞会 产生p子，在p子静止的参考系中，p子产生与衰变于空间同一点，在这个参考系中测量得到 p子的（固有）寿命约为T=2.2微秒（10的负6次方秒）.实际上p子的速度相当大,十分接近光速.即使按光速计算，如果不考虑相对论，p子在衰变前 通过的路程s=cT=660m地球大气层大约厚度为100km.按次推算,p子在到达地球之前早就衰变了，地面上不可能观 察到p子流.但实际上,地面宇宙射线p子流相当强，高达每秒每平方米500个.也就是说:如果 你躺在原野上，平均每秒钟约有100个p子

10、打到你身上!这已经给人类的正常生活造成影响. 引起了物种变异.为什么有那么多p子能够穿过大气层到达地面？这是由于相对论的时间膨胀效应.地面参照 系测得的p子平均运动寿命为0.33X10的负3秒，大约是固有寿命的1000倍.此时p子速 度为 v=0.999978c人造地球卫星能测量不同高度的IJ子流强度，相关数据都转送到各自国家的科研组;相对论理 论能算出不同高度M子流的强度.如果两者有矛盾，一定有报导.直到现在，我们没有看到过任 何有矛盾的报导.实验7.n介子寿命与实验6大同小异.n介子固有寿命T=2.60 X10的负8次方秒，当n介子的速度达到v=0.913c 时,由相对论有关公式计算得到寿

11、命为6.37X10的负8次方秒.相关实验证实了这个结果实验8.双胞胎效应60年代原子钟问世后，美国大一些原子钟留在地面,把其中一台放到飞机上绕地球飞行，然后 再拿回来与地面上的钟比较.实验发现:飞机上的钟慢了 10的负7秒.如何解释这个效应?是用狭义相对论还是广义相对论?也许存在分歧，（见前些日子本吧的讨论） 但是共同点都是:要用相对论解释.实验9.n介子的Y衰变在高能加速器中产生n介子，其相对于实验室的速度十分接近光速.它在飞行中衰变，发出Y 光子.如果按经典力学的速度叠加，这些Y光子的速度应该在0到2c之间，但实验发现:这些Y 光子的速度仍然是c.这个实验直接证明了光速不变假设.实验10.

12、斯坦福直线加速器中的电子.本实验直接验证相对论速度叠加法则.电子沿一根三公里长的直真空管飞行，被电磁场反复加 速，每加速一次，电子的速度就增加一点.但随着电子速率增大（接近光速）加速越来越困难.这个加速器可以把电子加速到20GeV（GeV是10的9次方eV）.当电子加速到10GeV时，（实 验室系）速度只比光速小0.39m/s，在增加另一半10GeV的能量时，在实验室系中,电子的速度仅 仅增加了 0.20m/s,直接验证了速度叠加法则.实验11.中子引力干涉.如图接收屏幕（或仪器）._.处表示缝.两缝中心位于同一水平面一束单色平行光，垂直入射到图中的双缝，屏幕上有明暗相间的干涉条纹.这是杨氏双

13、缝干涉.1974年，有人用能量动量一定的中子代替单色平面光波，首次观察到中子干涉效应.随后中子 引力干涉仪小批量生产.人们可以用该仪器进行中子引力干涉实验.该实验原理仍如上图.差 别仅仅是:在中子到达双缝前一段L长的路程上让两束入射中子，一束在上，另一束在下，高度 差为H.到达双缝之前在返回同一高度.由于地球引力场的影响,上束中子比下束中子动量小.注意到在微观领域，动量与波长有关，因 此两束入射中子在到达双缝前就有位相差，结果是屏幕上原来的干涉条纹应该移动.理论能算 出移动的多少，实验能测出移动的多少.在实验误差范围内两者一致.本来这是一个微观粒子波-粒二象性方面的实验，怎么会与相对论挂上钩？

14、由能量守恒：(下方中子动能)-(上方中子动能)=mgH.(1)上式两边都出现中子的质量，但是这两个质量的意义是不同的.左边的质量是惯性质量，右边 的质量是引力质量.70年代后期，这类实验有多个科研组在重复，最后大家得到相同的结论:中 子引力干涉实验表明：惯性质量=引力质量有兴趣的吧友可以查看当年的专业期刊.实验12.雷达回波延迟实验夏皮罗(I. Shapiro)于1964年提出用雷达回波延迟实验检验广义相对论的建议.广义相对 论认为，物质的存在和运动造成周围时空的弯曲，光线在大质量物体附近的弯曲可以看作一 种折射，相当于光速的变慢.从地球上向某一行星发射一束雷达波，雷达波到达行星表面后 被反射

15、回地球，就可以测出来回一次所需的时间.将雷达波经由太阳附近传播的来回时间与 远离太阳附近传播的来回时间相比较，就可以得到雷达回波延迟的时间.夏皮罗领导的小组先后对水星、金星、火星进行了雷达回波延迟实验，后期的实验数据与广 义相对论理论值的不确定度已在1%左右.20世纪80年代初，利用在火星表面登陆的“海 盗号”探测器反射雷达波，已使雷达回波延迟实验测量值的不确定度减小到0.1%，有力地 支持了广义相对论理论.这被认为是广义相对论的第四个重大验证实验.实验13.光线在引力场的偏移试验 在一个足够大的引力场的作用下，空间和时间将发生“弯曲”。这一理论显然完全不同于人 们对空间和时间的经验认识，也颠

16、覆了以牛顿经典物理学为基础的空间、时间理论。爱因斯 坦以惊人的天才提出了这一理论，并已经对其进行了近乎完美的数学论证。当时担任剑桥大学天文台台长的爱丁顿组织了两支观测队，一支由当时的格林尼治天文台台 长弗兰克华生戴森率领，前往巴西的索布拉尔；另一支则由爱丁顿亲自带队，前往非洲 西部的普林西比岛，当时这是观测日食效果最好的两个地点。Robin Carchpole博士说，爱 丁顿在某种意义上说是这两支队伍共同的“智力领袖”。两支队伍采用了不同的观测方法。 格林尼治天文台的队伍在观测完日食时的恒星位置之后，于6个月后返回同一地点，此时太 阳已经离开原来天区，这些恒星能够在夜间观察到，并且完全不再受太

17、阳引力场的影响。他 们将6个月后的恒星位置与日食时的恒星位置进行比较，以判断太阳对光线的影响。爱丁顿 则采取另一种方法，请身在英国的研究人员在夜间观察金牛座的这批恒星（由于身处地球不 同位置，普林西比只能在白天看到这些星星，英国却可以在夜里看到），将所得的恒星位置 与他观察到的进行比较。由于两种方法的不同，在弗兰克华生戴森还在准备进行第二次 对比观测的时候，爱丁顿已经于1919年6月非正式地宣布了他的观测结果。实验14.水星近日点的进动水星进动.水星的轨道偏离正圆程度很大，近日点距太阳仅四千六百万千米，远日点却有 7千万千米，在轨道的近日点它以十分缓慢的速度按岁差围绕太阳向前运行，称为水星进

18、动。水星近日点的进动水星是距太阳最近的一颗行星，按牛顿的理论，它的运行轨道应当是一个封闭的椭圆。实际 上水星的轨道，每转一圈它的长轴也略有转动。长轴的转动，称为进动。经过观察得到水星 进动的速率为每百年1 33 20 ，而天体力学家根据牛顿引力理论计算，水星进动的速率 为每百年1 32 37 。两者之差为每百年43，这已在观测精度不容许忽视的范围了。为了给这个差异一个合理的解释，曾经成功地预言过海王星存在的天文学家勒维耶预言在太 阳附近还有一颗未被发现的小行星。由于这颗小行星的作用，导致了水星“多余”进动。经 过多年仔细的搜索，无人发现这颗小行星。看来勒维耶的神算这一次落空了。原因在哪里?原来

19、在牛顿力学里，行星自转是不参与引力相互作用的。在牛顿的万有引力公 式中只有物体的质量因子，而没有自转量，即太阳对行星的引力大小只与太阳和行星的质量 有关，而与它们的自转快慢无关。但是，在广义相对论里，引力不仅与物体的质量因子有关，而且也与物体的自转快慢有关。 两个没有自转的物体之间的引力与它们自转起来之后的引力是不同的。这一效应会引起自转 轴的进动，行星在运动过程中，它的自转轴会慢慢变化。对于太阳系的行星来说这个效应太 小了，不易被察觉，更何况还有其他的因素也会造成行星自转轴的变化。根据爱因斯坦引力场方程计算得到的水星轨道近日点进动的理论值与观测值相当符合。此 外，后来观测到的地球、金星等行星

20、近日点的进动值也与广义相对论的计算值吻合得相当好。实验15.太空重力实验GP-BEinstein的相对论自创立已经将近九十周年了，是世界上最难验证的理论之一。重力探测器 B (GP-B)于2004年4月被送上轨道( HYPERLINK )，用于一项为期两年探测 “时空结构拖曳(frame-dragging)效应”的实验。该原理最早出现于1918年，由奥地利物 理学家Josef Lense和Hans Thirring共同提出。他们根据Einstein的相对论原理推断，在旋 转物体周围的时空结构可能会发生扭曲，因此拖曳效应也被称为Lense-Thirring效应”。此次实验的关键在于陀螺回转仪的设

21、计，GP-B有四个陀螺回转仪，其转子用熔化的石 英制成几近绝对的球形。这种乒乓球大小，近乎完美球形的回转仪是进行实验所必需的，因 为任何瑕疵都会影响回转仪的位置：在实验中它们应该指向一个参照恒星。既然拖曳效应会 改变时空的结构，因此理论上它也会影响陀螺回转仪的位置。然而，回转仪自身的任何瑕疵 同样也会引起其位置的改变，影响试验的 准确程度。工程师们在不干扰转子旋转的情况下，利用三个碟型电极将其悬空在回转仪之中。为了 保持转子持续稳定旋转，工程师向回转仪中导入平稳的氦气流，同时，他们使用了超导量子 干涉仪(SQUID)，利用超导特性作为转子是否受到干涉的指示，探测转子轴向的任何角度 位移。尽管G

22、P-B还要在太空持续运行大约十四个月，但是现在工程师们已经取得了相当的成 绩，他们成功地组装了陀螺回转仪，近乎完美地祛除了地球磁场的影响，并且成功地对探测 器进行遥控和导向。本实验正在进行中，详：专题Gravity Probe B HYPERLINK /f?kz=303344137 /f?kz=303344137实验16:狄拉克方程狄拉克按相对论要求，于1928年提出狄拉克方程.狄拉克用它不仅算出了氢原子光谱的精细 结构，解释了电子的自旋角动量和固有磁矩，进一步还预言了正电子的存在.这些结果都与当 时的实验符合，也得到后来新实验的支持.为此获得1933年的诺贝尔奖.把狄拉克方程看成是相对论在微

23、观领域的一个应用,象相对论力学在宏观领域应用一样，实验 对狄拉克方程的支持就是对相对论的支持.实验17.反粒子与高能y光子1932年正电子发现后,人们相信质子，中子等粒子也应该存在相应的反粒子，寻找反粒子成了 当时的科学前沿.随后反质子，反中子相继发现.人们用相对论力学作为理论工具，处理粒子,反粒子，高能Y光子的散射问题，湮灭问题，得到了 相当满意的结果.这类实验事实相当多，从来没有发现相对论出问题.插入一层楼,说点题外话.牛顿力学得到但是人们的支持,除了它能解释当时有的实验事实外，还预言了一些新现象，帮 助人们发现新天体.当时已知的行星仅有地球，金，木，水.火，土及天王星.人们用新出现的牛顿

24、力学去计算天王星的 轨道，发现理论计算与实际观察有偏离.要解决这个偏离，只有两种可能：牛顿力学在天体领域有问题，要修改，甚至放弃！在天王星外还存在一个质量十分可观的未发现的行星.后来找到了天王星，大大增强了人们对牛顿力学的信心.我将发的下一个实验，与上面所说的有点类似.我打字慢，也慢慢发,吧友们不妨猜猜看,到底相 对论(加上别的理论)预言了什么新现象?猜中的应该有奖!当然时间是在我发出下一个帖子之实验18.中微子的发现早在相对论之前，人们就发现了8衰变,后来进一步认证了P粒子就是电子!发现中子后，人们 认为：8衰变的实质就是中子衰变成质子+电子;(1)或(在原子核内)质子衰变成中子+正电子.(

25、2)我们只讨论(1).实验发现出射电子有动能.由相对论的质量能量关系，有电子动能Q=(中子质量-质子质量)cc(3)这是当时公认的相对论质量能量关系式,根据这个公式，由于右边中子质量，质子质量都是常 量，光速c也是常量，因此Q值也应该是常量.但是实验明确表明:电子的动能Q是连续变化的! 反复测量都是这个结果.1930年,Pauli(泡利)提出:要满足衰变前后能量动量守恒及其它一些守恒条件，衰变产物除了 质子及电子外，一定存在另一种还没有被发现的粒子，这就是后来发现的(电子性反)中微子.实验7.n介子寿命与实验6大同小异.n介子固有寿命T=2.60 X10的负8次方秒，当n介子的速度达到v=0.

26、913c 时,由相对论有关公式计算得到寿命为6.37X10的负8次方秒.相关实验证实了这个结果.作者：南澳洲2008-2-13 11:11回复此发言 南老师这里讲得不多，冒昧补充一点。日本曾进行利用n介子治疗癌症的研究。但由于n介 子只有1亿分之1秒的寿命，必须利用加速器加速到接近光速，才能使其寿命延长到可利用 的程度。这项研究已经进行到了临床阶段（网上可查），但听说由于副作用，最近该研究热 度有所下降。尽管如此，也算是证明相对论正确性的一例。实验19.激光致冷设想在滑冰场上有一个质量很大的大胖子，闭上眼睛在滑冰，略去摩擦力.现给你很多小气球, 允许你用这些小气秋砸这个大胖子，你能让他停下来吗？应该可以，条件是:小气球要足够多，有很多人帮忙砸.上世纪后期，高功率的激光器研制成功，人们利用激