- 圖：日全食期間不僅可以看到日冕，而且在適當的條件下，距離太陽很遠的恆星也可以看到日冕。有了正確的觀測，人們就可以用牛頓引力的預測來檢驗愛因斯坦廣義相對論的正確性。1919年5月29日的日全食，現在已經整整100年了，也許標誌著人類科學史上最偉大的進步。但是，一個涉及引力紅移的完全不同的思維實驗，可能早在幾年前就證明了狹義相對論的不足。
當涉及到像物理學這樣的科學時，如果我們希望理解我們周圍的宇宙，理論上的期望總是要面對實驗結果。從理論上講，我們可以設想任何我們喜歡的粒子和力的結構，然後——當我們的技術能力允許的時候——我們可以把這些期望付諸試驗，找出我們的理論有多好。
當然，有時我們會領先於自己，並設想我們沒有可預見的執行方式的實驗。 但是，這並不是我們理論上的缺陷，而是一個功能。 用我們自己的想象力，即使沒有使之實現的實驗裝置，我們也可以進行自己的思想實驗：愛因斯坦用他的母語德語稱其為格丹肯（gedanken）實驗。 如果我們的設想是正確的，我們可以用一種想法來證明，狹義相對論，愛因斯坦最偉大的發現之一，是不可能完全正確的。
- 圖：引力透鏡可放大和扭曲背景源，使我們能夠比以往看到更暗，更遠的物體。 這可以很好地用廣義相對論來描述宇宙，但是在平坦的空間中，您可以明確地表明宇宙不會具有一致的意義。
每個理論，思想或假設都將始終具有有限的有效性範圍。 牛頓的運動定律非常有用，可以描述落自由落體的球，在太空中運行的月球，繞太陽旋轉的行星和彗星的運動，等等。 儘管取得了數百年的巨大成功，但這些法則並不能說明一切。
當我們開始非常詳細地觀察水星軌道時，我們發現牛頓的萬有引力定律不能完美地描述水星軌道的行為。 在預測的基礎之上，始終觀察到微小的額外進動，因此需要進行解釋。 此外，當速度接近光速時，牛頓方程無法預測粒子的行為。 在適當的條件下，牛頓對宇宙的表述將需要修改。
- 圖：對於以不同相對速度移動的觀察者來說，“光鍾”的運行方式似乎有所不同，但這是由於光速的恆定性所致。 愛因斯坦的狹義相對論定律這些時間和距離的轉換是如何在不同的觀察者之間發生的。
愛因斯坦的相對論是使物理學超越牛頓力學束縛的第一次認真嘗試。 愛因斯坦沒有像牛頓那樣將空間和時間視為絕對，而是將它們密不可分。 您移動越接近光速，沿您的運動方向收縮的距離就越多，而外部時鐘運行的速度就越慢。
同樣，一個靜止的觀察者觀察到您運動時，會看到您的時間的長度收縮和時間的膨脹與運動的相對速度直接相關。 然而，即使在狹義相對論中計算物體動能（或運動能）的規則與牛頓力學中的不同，能量仍然是守恆的，並且可以從一種形式轉換為另一種形式。這一事實至關重要，並導致我們偉大的思想實驗表明，狹義相對論不可能完整。
- 圖：1934年，愛因斯坦為旁觀者推導了狹義相對論。對正確的系統應用相對論的結果要求，如果我們要求能量守恆，E=mc^2必須是有效的。
愛因斯坦的另一個重大突破是質能等效的概念。通常表示為E=mc²，這意味著存在的任何質量粒子（或反粒子）所固有的能量量等於該粒子的質量乘以光速平方的因子。正如愛因斯坦最初所說，它也可以寫成m=E/c²，它詳細說明了你將通過用特定數量的能量（E）創造一個粒子來達到的質量（m）。
如果你採用粒子-反粒子組合，其中粒子和反粒子都有一個特定的質量，你可以把它們從靜止狀態碰撞到一起，然後看著它們湮滅。當它們這樣做時，一個常見的結果是它們將產生兩個光子：無質量的粒子，它們將以特定的能量以180°的角度相互離開。從愛因斯坦最著名的方程中，把粒子和反粒子的質量（m）轉換成純能量，每個粒子都將擁有精確的能量E。
- 圖：從純能量產生物質/反物質對（左）是一個完全可逆的反應（右），物質/反物質湮沒回純能量。當一個光子被創造然後被摧毀時，它會同時經歷這些事件，而完全不能經歷其他任何事情。如果在動量中心（或質量中心）靜止幀中操作，粒子/反粒子對（包括兩個光子）將彼此以180度角壓縮。
到目前為止，沒有任何爭議。我們可以讓粒子-反粒子對處於靜止狀態並將其湮滅，產生兩個特定的、定義明確的能量光子。此外，我們還有牛頓舊公式中的動能和勢能的概念，還有狹義相對論，它告訴我們，真空中的光速是宇宙的終極速度極限，而大質量粒子的運動速度必須始終低於這個速度。
但我們可以從這些要素中創造出一個有趣的思維實驗。事實上，我們可以從這個思想實驗中證明，一個完全存在於廣義相對論中的現象——引力紅移和藍移。如果有人早在1905年就這麼想，也許他們甚至會擊敗愛因斯坦，提出20世紀最具革命性的想法。
- 圖：如果在地球表面上方有一個靜止的粒子（或粒子-反粒子對）處於橙色，則它將沒有動能，但有很多勢能。 如果然後釋放粒子或系統並使其自由下落，則當勢能轉換為運動能時，它將獲得動能。 這種思想實驗是證明狹義相對論不足的一種方法。
想象一下，您將粒子與反粒子組合起來，然後從某個高度很高的地球北極上方開始。 因為您位於極點，所以您所處的地球自轉沒有動能。 相反，由於您的海拔高度，所有額外的能量都以重力勢能的形式出現。 所有這些，再加上粒子和反粒子的剩餘質量能，就是您開始的全部。
現在，假設您同時丟下了粒子和反粒子，然後將它們放在一起。 當它們下降時，它們都將保持由E = mc²定義的靜止質量能，但是它們的勢能將轉換為動能：運動能。 如果要在粒子和反粒子到達地面之前對其進行測量，就會發現它們具有與釋放粒子之前相同的能量。 唯一的區別是重力勢能已轉換為動能。
- 圖：當粒子-反粒子對相遇時，它們湮滅併產生兩個光子。如果粒子和反粒子處於靜止狀態，光子能量將分別由E=mc²來定義，但是如果粒子處於運動狀態，產生的光子必須更有能量，這樣總能量總是守恆的。
當你看上面的圖片，其中的箭頭代表的速度的粒子反粒子對的問題，所有三個位置都有相同的能量。在橙色的情況下，所有的能量都是靜止質量加上勢能；在藍色的情況下，它都是靜止質量加上動能；在黃色（中間）的情況下，它是靜止質量加上勢能加上動能，勢能正在轉化成動能的過程中。
現在，我們可以在這個平凡的例子中加入一個怪念頭：在這三個想象的位置中的每一個，我們可以讓粒子-反粒子對自發地湮滅以產生兩個光子。在這三種情況下，湮滅將產生兩個特定的、定義明確的能量光子。
- 圖：如果你將一個粒子-反粒子對湮滅為具有大量引力勢能的純能量（兩個光子），那麼只有剩餘的質量能量（橙色）轉化為光子能量。如果你把粒子和反粒子拋向地球表面，只讓它們在撞擊前湮滅，它們就會有更多的能量，產生更藍、更高能的光子。
但是，如果我們開始考慮產生的光子的能量，這三種情況將不再相同。
- 對於最初的橙色情況，粒子和反粒子均處於靜止狀態，因此，當它們消失時，兩個光子的能量完全來自靜止質量：E = mc²。
- 但是當勢能轉換為動能時，該粒子對反粒子現在處於運動狀態，並且當它們消滅時，光子能既來自粒子和反粒子的其餘質量，也來自粒子和反粒子的動能。 在運動中。 從質點的動量來看，能量還有一個附加項：E = mc² + p² / 2m。
- 而且，如果您讓那對粒子與反粒子在撞上地面之前就湮滅了，那麼就不會剩下任何勢能了。 所有這些都將轉換為動能，並且您在底部產生的光子將擁有全部最多的能量。
- 圖：當恆星靠近超大質量黑洞時，它將進入空間彎曲更嚴重的區域，因此從恆星發出的光具有更大的潛能。 能量的損失導致引力紅移，與我們觀察到的任何多普勒紅移（速度）無關，併疊加在其上面。 這僅在2018年觀測到的超大質量黑洞人馬座A *附近的恆星S0-2繞行時才觀察到。
為了保持能量守恆，你從一對粒子反粒子對中產生的光子必須比你在高空靜止時從一對粒子反粒子對中產生的光子能量更大，波長也更藍。事實上，我們可以把思維實驗向前推進一步，想象我們：
- 在高空靜止的一對粒子反粒子，
- 湮滅它們產生兩個光子，
- 然後讓這兩個光子深入到由一個巨大的源產生的引力勢阱中。
光子怎麼了？如果狹義相對論是正確的，它們將保持不變。但實際上不會發生這種情況。相反，為了節省能量，我們必須接受光在通過引力場時必須改變波長（因此，頻率和能量也必須改變）。如果光子逃離了引力場，會被紅移；如果光子陷得更深，會被藍移。
- 圖：當一個輻射量子離開引力場時，它的頻率必須被紅移以保存能量；當它落入引力場時，它必須被藍移。只有萬有引力本身不僅與質量有關，而且與能量有關，這才有意義。引力紅移是愛因斯坦廣義相對論的核心預言之一，但直到最近才在像我們的銀河系中心這樣的強場環境中被直接測試。
在愛因斯坦1916年對廣義相對論的最初表述中，他提到光的引力紅移（和藍移）是他新理論和第三次經典實驗的必然結果，在水星近日點進動（當時已經知道）和星光被引力源偏轉（1919年日全食期間發現）之後。
儘管思維實驗是一個非常強大的工具，但實際實驗直到1959年才趕上，龐德-雷布卡實驗最終直接測量了引力紅移/藍移。然而，只要援引能量必須守恆的觀點，以及對粒子物理學和引力場的基本理解，我們就能瞭解到光必須在引力場中改變其頻率。
- 圖：哈佛大學傑斐遜大廈（jefferson towers）低端的物理學家格倫•雷布卡（glen rebka）在著名的龐德•雷布卡實驗（pound rebka experiment）進行期間給龐德教授打電話。通過能量驅動裝置的發射或吸收部分，科學家可以直接測試廣義相對論的能量損失/增益預測，以確定經歷引力紅移和藍移的光子的正確能量轉移。
發生這種事也是好事！如果光保持相同的頻率，不管它在引力場中的位置如何，我們可以：
- 首先用反物質湮滅地面上的物質，
- 建立一個反射鏡，將光子向上反射，遠離引力源，
- 將這些光子重新形成物質和反物質（只有在引力紅移不存在的情況下才有可能）。
- 然後讓它們回到地球，在那裡它們到達的動能都是“自由”能。
如果你不喜歡永動機或違反熱力學定律，你可以自己想到這一點，並立即意識到狹義相對論並不是全部。把它概括為包括引力物理學是從狹義相對論到廣義相對論的重大飛躍。雖然我們無法預測大自然會做什麼，直到我們把它放在一個實驗測試，思想實驗可以教我們在哪裡尋找新物理的暗示。當科技真的趕上時，我們總是對自然世界有所瞭解。
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