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

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)

实验3.穆斯堡尔效应

把γ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γ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γ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hν,等效地具有质量m=hν/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.

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书上都被引用过.

实验6.地面上的μ子流

实验证实:地面上的μ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μ子,在μ子静止的参考系中,μ子产生与衰变于空间同一点,在这个参考系中测量得到μ子的(固有)寿命约为T=2.2微秒(10的负6次方秒).

实际上μ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,μ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,μ子在到达地球之前早就衰变了,地面上不可能观察到μ子流.但实际上,地面宇宙射线μ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μ子打到你身上!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μ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μ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μ子速度为v=0.999978c

人造地球卫星能测量不同高度的μ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μ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.π介子寿命

与实验6大同小异.π介子固有寿命T=2.60 X10的负8次方秒,当π介子的速度达到v=0.913c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.

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.π介子的γ衰变

在高能加速器中产生π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γ光子.如果按经典力学的速度叠加,这些γ光子的速度应该在0到2c之间,但实验发现:这些γ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.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.

谢谢楼上及位的鼓励.另外,我想集中时间把20个实验都发完.对有些问题,采取暂时不回应,等20个实验都发完再说.请有关吧友谅解.如果其它吧友能帮忙回复,当然就更好了.

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?

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、金星等行星近日点的进动值也与广义相对论的计算值吻合得相当好。