為何說100年以前的一場全日食證明了愛因斯坦對了而牛頓錯了

天文在線 2020-06-29 檢舉

一場發生在1919年5月29日的全日食,給了牛頓宇宙體系致命一擊。

1919年5月29日,世界永遠地改變了。幾百年來,艾薩克·牛頓的引力理論——宇宙引力的法則,從未被挑戰過,因為它的預測符合每一個已做過的觀測和測量。然而牛頓對水星軌跡的預測卻和十九世紀中期天文學家們看到的水星所表現出來的不一樣,科學家們也不知道該怎么解釋這個差異。

為何說100年以前的一場全日食證明了愛因斯坦對了而牛頓錯了

也許,我們還是需要修改引力法則。當狹義相對論提出時,證據增加了。它證明不存在絕對距離這種東西。牛頓的理論預測存在瞬時力,這與相對論相違背。1915年,埃爾伯·愛因斯坦提出了一個替代萬有引力的新理論:廣義相對論。測試廣義相對論與牛頓的理論相對的方法就是等待一場全日食。100年以前,愛因斯坦被證實是對的。以下為證明方法。

像全日食這樣的大事件能夠為愛因斯坦的相對論提供一個獨特的測試,當遙遠天體的光線從太陽附近經過時,它會被彎曲,但對于地球上的觀天者來說,當太陽被遮住時,灰暗的天空使得這些天體仍舊是可見的。在1919年5月29日這天,這個方法為愛因斯坦的廣義相對論提供了第一個證明。(NASA科學可視化工作室)

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如今,愛因斯坦的廣義相對論可論證為史上最成功的理論。這個理論解釋了從GPS信號到引力紅移,從引力透鏡到黑洞融合,從脈沖星調速到水星軌道的所有事情。廣義相對論的預測到現在為止還沒有失靈過。

1915年,當這個理論第一次被提出時,它正嘗試取代牛頓的萬有引力。然而,盡管它能再現早期牛頓理論的成功并解釋水星軌道(這是牛頓理論做不到的)。但是這個關鍵測試將會以一種新的預測形式出現,而且這個預測與宇宙引力法則的預測截然不同。一場全日食將提供一次獨特且直接的機會。

在太陽系中,由行星和太陽吸引造成的空間彎曲,必須被考慮進航天器或者是天文臺會進行的任何觀測中去。從空間探索到GPS信號衛星再到太陽附近經過的光信號,在此應用范圍內,即使是十分微小的事情,廣義相對論的作用都不能被忽略。(美國國家航天局/噴氣推動實驗室—加州理工大學,卡西尼任務)

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在牛頓的萬有引力理論中,任何有質量的物體都會吸引其他有質量的物體。雖然光沒有重量,但它有能量,因此通過愛因斯坦的質能方程式:能量=質量*光速²(E=mc²,寫作m=E/c²)你可以給它分配一個實際質量。如果讓一個光量子從一個大質量物體附近經過,可以用它確切的質量預測這束星光應當彎曲多少,你能獲得一個有效值。在太陽的邊緣附近,這個值比1角秒(1/3600度)還小。

但在愛因斯坦的廣義相對論中,由于質量的存在,空間與時間都被扭曲。而在牛頓的引力體系中,物體只有在空間中運動時才受引力影響。這意味著相對于牛頓的理論,愛因斯坦的理論推測出了額外1角秒的彎曲(事實上,要小更多,尤其是當接近設想中的質量時),或者說一個在太陽附近的接近2角秒的彎曲。

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一張引力透鏡的圖例展示了背景星系或任意光路是如何因為中間質量的存在而發生扭曲的。同時它也展示了空間本身是如何因為前景星系的存在而彎曲,變形的。在愛因斯坦提出廣義相對論之前,盡管許多人對此表示懷疑,但他相信這個彎曲一定存在。一直到1919年,那場全日食證明了他的推測。愛因斯坦和牛頓都對應當出現的彎曲數量作出了預測,二者間有一個意義重大的不同——在廣義相對論中,空間與時間均受質量影響。

關于愛因斯坦是如何提出廣義相對論的歷史非常吸引人,因為事實就是牛頓的萬有引力的確存在缺陷,這激勵了愛因斯坦構思他的新概念。

來源:www.toutiao.com

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