引力時間延遲效應(yīng)，或經(jīng)常稱作露西·夏皮羅時間延遲效應(yīng)是在太陽系中能夠進(jìn)行的四個經(jīng)典廣義相對論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之一（另外三個是引力紅移、水星近日點(diǎn)的進(jìn)動、光線在太陽引力場中的偏折）。
概念
這種時間延遲效應(yīng)是指當(dāng)雷達(dá)信號途徑一個大質(zhì)量天體時，在觀測者看來這個信號發(fā)射到指定目標(biāo)以及返回的時間都要比沒有大質(zhì)量天體存在時所需的時間略長。與引力紅移的區(qū)別在于它是引力場造成的純粹時間延遲效應(yīng)，并不改變信號的波長。如圖所示，位于土星的卡西尼號向地球發(fā)送的信號在太陽的引力場中延遲。
歷史
引力時間延遲效應(yīng)最早由哈佛大學(xué)天體物理學(xué)家歐文·夏皮羅（Irwin I. Shapiro）于1964年在理論上提出。1960年前后，廣義相對論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法似乎已經(jīng)被研究盡，在當(dāng)時可研究的內(nèi)容基本只有在數(shù)學(xué)層面上 的理論研究。1962年，理查德·費(fèi)曼曾因自己參加的一個引力學(xué)術(shù)會議失望地發(fā)出感慨，他說自己從會議中沒有學(xué)到任何東西，引力領(lǐng)域的討論如果不是在糾正前人的錯誤就是毫無用處的內(nèi)容……自己不會再去參加任何引力的學(xué)術(shù)會議了。所幸這種情況在1964年得到了改變：露西·夏皮羅從光線在太陽引力場中偏折這一事實(shí)中得到啟發(fā)，他認(rèn)為如果廣義相對論正確，那么當(dāng)光途經(jīng)太陽引力場時其 速度將會被減緩，減緩量和角度偏移量成正比。夏皮羅同時設(shè)想了一個用于證實(shí)他的預(yù)言的觀測實(shí)驗(yàn)：從地面上向金星和水星表面發(fā)射雷達(dá)波并測量其往返時間。夏皮羅通過計(jì)算得到當(dāng)地球、太陽和金星最大限度地在同一條直線上時，由于太陽質(zhì)量導(dǎo)致的雷達(dá)波往返的時間延遲將達(dá)到200毫秒左右，這種延遲量在二十世紀(jì)六十年代的技術(shù)范圍內(nèi)完全可以觀測到。
第一次實(shí)驗(yàn)觀測是借助麻省理工學(xué)院的“草堆”雷達(dá)天線（Haystack radar antenna）完成的，其結(jié)果和理論預(yù)測符合得很好，誤差小于5%。其后這種實(shí)驗(yàn)被不斷重復(fù)，并且不斷取得更高的精度。1976年的海盜號天問一號將精度提高到了0.1%；而2003年的卡西尼號土星探測器的實(shí)驗(yàn)則達(dá)到了小于0.002%，是迄今為止精度最高的廣義相對論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
延遲計(jì)算
根據(jù)廣義相對論理論，固有時和引力場度規(guī)下的坐標(biāo)時存在如圖的公式關(guān)系：
其中g(shù)00是引力場度規(guī)的分量。引力場越強(qiáng)時，坐標(biāo)時相對固有時的延遲就越大。
當(dāng)光信號途經(jīng)一個單一質(zhì)量的引力場時，其時間延遲量的公式：
公式中R是觀測者到信號源位置的單位矢量，而X是觀測者到質(zhì)量M位置的單位矢量。如果用史瓦西半徑表示，時間延遲量可寫成：
這里R（下標(biāo)S）是質(zhì)量M的史瓦西半徑：
實(shí)例
在行星際探測器（例如旅行者1號探測器、旅行者2號探測器，先驅(qū)者10號、先驅(qū)者11號）的測距中，由于太陽引力場的作用引力時間延遲效應(yīng)一定要被考慮到測距的數(shù)據(jù)中去。而在所有引力波的探測中，來到太陽系的引力波都會受到太陽、大行星甚至小行星引力場的影響而產(chǎn)生延遲。特別是在對毫秒脈沖星的計(jì)時觀測中，來自毫秒脈沖星的脈沖信號傳播到地球的時間因受到引力時間延遲的影響會造成偏差。由于對毫秒脈沖星的計(jì)時是目前探測超低頻引力波的僅有手段，因而引力時間延遲效應(yīng)對超低頻引力波的探測的影響也需要被考慮。
相關(guān)介紹
阿爾伯特·愛因斯坦關(guān)于引力場對光的作用的思考
“其次我們的結(jié)果表明，根據(jù)廣義相對論理論，光速是一個常數(shù)這一定律變得沒有任何佐證。它作為狹義相對論的兩條基本假設(shè)之一，以及作為我們經(jīng)常引用的定律，由此將不能保證無限度的正確性。一束光的彎曲只可能是因?yàn)楣庠趥鞑ミ^程中速度隨位置發(fā)生改變而產(chǎn)生。或許現(xiàn)在我們會猜想是不是狹義相對論，以及它推出的所有相關(guān)理論即將灰飛煙滅。但事實(shí)并非如此?，F(xiàn)在我們只能得出結(jié)論：狹義相對論并不能保證無限度的正確性，它的結(jié)論只是在我們能夠忽略引力場對現(xiàn)象（例如，光）的影響時才成立。”——阿爾伯特·愛因斯坦（《廣義相對論：第22章 - 廣義相對論原理的一些推論》）
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