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愛因斯坦廣義相對論是如何被驗證的

2022/05/19
導讀
科學史上最重要的里程碑之一


Frontiers for Young Minds期刊網(wǎng)站上線的一篇最新文章，題為The Solar Eclipse That Validated Einstein's Theory of Relativity（驗證了廣義相對論的日食觀測）。文章介紹了科學史上最重要的里程碑之一，它增進了現(xiàn)代人類對宇宙的理解。《賽先生》獲Frontiers for Young Minds官方授權翻譯了這篇文章，分享給中文讀者。


阿爾伯特·愛因斯坦在1915年完成了他的廣義相對論。這一理論改變了我們對艾薩克·牛頓所創(chuàng)立的空間、時間和引力概念的認識。廣義相對論預測出，由于太陽的引力以及空間和時間的性質(zhì)，從遙遠的恒星射向我們的光線在經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生彎曲。對這一現(xiàn)象進行的天文觀測證實了這個預言。這個結果發(fā)表后，在科學界和公眾中引起了極大的轟動，愛因斯坦在一夜之間成為了超級巨星。


本文作者Hanoch Gutfreund，還對一份獨一無二的愛因斯坦手稿的重要性給出了令人振奮的見解。這份手稿于2021年11月被拍賣，其中展示了愛因斯坦和他的終身好友米歇爾·貝索是如何一起研究愛因斯坦于1913年發(fā)表的一個初步理論的結果的。他們的工作成果幫助愛因斯坦在2年后完成了他的廣義相對論。點擊文末閱讀原文可了解更多詳情。


作者｜Hanoch Gutfreund翻譯｜趙金瑜
審校｜D


  • 一個戲劇性的公告

1919年11月7日，英國《倫敦時報》發(fā)表了一篇震驚全世界的新聞文章，標題為“科學的革命——新的宇宙理論——牛頓的觀點被駁倒”。這篇文章報道了同年早些時候兩支探險隊進行的天文觀測結果，一支位于非洲西海岸附近的普林西比島，另一支位于巴西的索布拉爾市。這兩個地方，可以在同一天觀察到同一場日全食。這些觀測意在檢驗愛因斯坦廣義相對論的預測之一。愛因斯坦聲稱，來自遙遠恒星的光線會在它們經(jīng)過太陽前往地球的途中彎曲。

對彎曲光線的觀察是如何支持愛因斯坦的理論，并改變?nèi)藗儗臻g、時間和引力的認識呢？讓我們先來介紹一些背景。

  • 狹義相對論

1905年是猶太裔德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦科學生涯中最富有成效的一年。在這一年，他提出了狹義相對論。這個理論基于兩個假設：

首先，該理論僅適用于以相對恒定速度運動的系統(tǒng)。舉一個簡單的例子：一個人坐在一節(jié)火車車廂里。車窗被遮住了，車廂內(nèi)也聽不到車輪在軌道上的行駛聲音。如果火車勻速行駛，則車上的人無法通過任何實驗來確定火車的速度，或者判斷它相對站臺是在移動還是靜止。

第二個假設則是，光的傳播過程與其他物體的運動行為是不同的。光速始終是恒定的——它不依賴于光源的速度或觀察者的速度。例如，當我開車在路上行駛，被問到我旁邊的車有多快時，答案取決于我的車速。如果鄰車車速與我的車速相同，那么它相對于我的車似乎是靜止的。但是，如果我開得慢一點，另一輛車看起來就會比我快，并逐漸跑在我的前面。愛因斯坦的深刻見解是，光的行為與此不同——光的速度與觀測者的運動狀態(tài)以及發(fā)光光源的速度無關。

這聽起來是不是很奇怪？還有更奇怪的！根據(jù)這兩個假設，如果兩個處于相對運動中的人測量同一個物體的長度，他們會得到不同的結果！此外，如果他們測量兩個事件發(fā)生的時間間隔，他們在測量結果上也不會達成一致；他們甚至可能在哪個事件更先發(fā)生上產(chǎn)生分歧。距離、時間和事件的同時性的測量是相對的，這意味著測量結果取決于觀測者的運動狀態(tài)。愛因斯坦狹義相對論中的距離和時間概念，與英國數(shù)學家、物理學家艾薩克·牛頓提出的世界觀大相徑庭。根據(jù)牛頓的理論，空間和時間是獨立且絕對的——時間和空間距離的測量結果與觀測者的運動狀態(tài)無關。

狹義相對論的著名結論之一是，質(zhì)量和能量是相互等價的——最著名的科學公式E=mc2 便代表了這個結論。其中，E代表能量，m代表質(zhì)量，而c是光速。根據(jù)這個公式，少量的質(zhì)量可以轉化為大量的能量。在提供核能的反應堆中，這個過程以一種可控的方式發(fā)生。在原子彈中，它則以不受控的方式發(fā)生、造成災難性的爆炸。在太陽的核心，四個氫原子核在一個復雜的過程中融合在一起，成為氦原子核。一個氦核的質(zhì)量比四個氫核的質(zhì)量略小一些。融合過程中所損失的質(zhì)量轉化成能量，便成為了太陽的能量來源，進而也是地球上生命的來源。


  • 廣義相對論

狹義相對論有兩個主要的局限性：第一，該理論只涉及勻速運動的系統(tǒng)；它沒有考慮加速運動——即速度有所加減的運動，或者像旋轉木馬一樣改變方向的運動。第二，狹義相對論沒有考慮萬有引力，也就是使月球在圍繞地球的固定軌道上、使行星在圍繞太陽的軌道上平穩(wěn)運行的向心力。

在完成了狹義相對論之后，愛因斯坦開始尋找一種能夠擺脫這兩個限制的理論。經(jīng)過10年的探索，他最終提出了廣義相對論。這一理論的主要思想是，引力——即兩個物體之間的吸引力——并不如牛頓理論中所述的力，而是空間自身的特征，或者更準確地說，是空間和時間的特征。在愛因斯坦的新理論中，空間和時間被合并為“時空”。在牛頓的理論中，空間和時間是所有物理過程發(fā)生的“舞臺”。而在愛因斯坦的理論中，空間和時間會參與這些物理過程，并受其影響。根據(jù)愛因斯坦的觀點，宇宙中具有較大質(zhì)量的物體，如行星和恒星，會使它們周圍的時空發(fā)生彎曲。這意味著，在宇宙中運動的物體和光線是在彎曲的時空中運動的。這個概念很難用容易理解的方式來解釋。即使是專門研究這種現(xiàn)象的物理學家，也可能難以想象出彎曲的時空。這些概念最好用數(shù)學語言來描述，使用數(shù)學家早在19世紀就開發(fā)出的方法。利用這些方法，愛因斯坦在1915年發(fā)現(xiàn)了描述質(zhì)量對時空結構影響的方程，以及由此影響而產(chǎn)生的運動方程。這些方程是愛因斯坦最偉大的成就，是我們徹底了解宇宙——它是如何開始的、如何發(fā)展的、以及它的結構是什么——的基礎。

  • 對一次日食的觀測驗證了愛因斯坦的理論

當愛因斯坦剛開始發(fā)展他的廣義相對論時，就已經(jīng)知道，光束在太陽附近會被彎曲。甚至在他得出最終的理論之前，愛因斯坦就曾計算了這些光束的彎曲程度，但他得到的結果比正確的數(shù)值小一倍（盡管當時他并不知道）。1913年，愛因斯坦致信天文學家喬治·黑爾，后者是全美最大的天文臺威爾遜山天文臺的主任。愛因斯坦詢問黑爾是否有辦法在白天觀察太陽附近的星星。黑爾回答說，觀察這些星星的唯一機會是在日全食期間。

你可能不明白為什么驗證愛因斯坦的理論需要一場日食。我們首先要意識到，要想看到太陽引力對來自遙遠恒星的光線的影響，太陽必須位于我們和要觀測的恒星之間——也就是說，觀測只能在白天進行。但是通常情況下，在白天是不可能看到星星的，因為太陽太亮了！但是，在日食期間，天空一片漆黑，那些星星就可以被看到了。之所以會發(fā)生日食，是因為月球繞地球運行的軌道平面相對于地球繞太陽運行的軌道平面是傾斜的（譯者注：傾斜4.99-5.30°）。有時，地球、月球和太陽相交的路徑會形成一條直線。在這種情況下，月球會遮住太陽，導致日食。不過月球太小，無法在整個地球上投下陰影，因此地球上有些地區(qū)會發(fā)生日全食，而在其他地區(qū)則只有日偏食。

愛因斯坦推斷，如果天文學家比較日食期間（太陽在地球和恒星之間）拍攝的恒星照片與夜間（太陽不在地球和恒星之間）拍攝的相同恒星的照片，恒星出現(xiàn)的位置應該看上去有所偏移。如果兩張照片中恒星的位置不同，就意味著太陽的引力場使得從這些恒星發(fā)出的光線發(fā)生了彎曲（圖1）。

圖1：當來自遙遠的恒星的光線經(jīng)過太陽的引力場時，光線會發(fā)生彎曲。地球上的觀察者則會看到，當太陽在恒星光線的路徑上時，與太陽不在光線的路徑上相比，恒星的位置會發(fā)生偏移。


1914年8月21日，一支德國天文探險隊計劃在俄羅斯克里米亞地區(qū)的日全食期間進行觀測。但隨后第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，探險隊被俘，裝備也慘遭沒收。

在1919年5月29日，研究人員終于獲得了另一次機會（圖2）。那時，愛因斯坦已經(jīng)完成了廣義相對論的創(chuàng)建，并據(jù)此預測出，最終的光線彎曲程度比他之前假設的結果大一倍。如前所述，這些觀測數(shù)據(jù)來自于索布拉爾和普林西比兩個地方。在利用當時僅有的資源對觀測結果進行了幾個月的分析（這不是一項簡單的任務）之后，探險隊的負責人阿瑟·愛丁頓和查爾斯·戴維森，以及皇家天文學家弗蘭克·戴森爵士宣布：“索布拉爾和普林西比的觀測結果幾乎毫無疑問地表明，太陽的確能夠彎曲周圍的光線，而且其曲率與愛因斯坦的相對論所給出的結果一致”。廣義相對論的這項預測，被兩個相距甚遠的地點的獨立測量所證實，極大程度地說服了科學界相信這個理論的正確性。

圖2：1919年的日食和它周圍的星星。將這張照片中看到的星星的位置與太陽在天空中不同位置時拍攝的照片進行對比。通過這種手段，研究人員發(fā)現(xiàn)，星星的位置似乎發(fā)生了變化。這種現(xiàn)象的原因是太陽引力使恒星的光線發(fā)生了彎曲，如圖1所示。


  • 愛因斯坦的理論帶來的影響

1919年的日食觀測意義非凡。它不僅證實了愛因斯坦的廣義相對論，而且還幫助科學家了解到一種很有價值的天文現(xiàn)象，即引力透鏡效應，它可以幫助科學家們研究宇宙。光在經(jīng)過太陽附近時，其彎曲程度非常小。但質(zhì)量大得多的物體，如黑洞甚至整個星系，會造成更強烈的彎曲，以至于我們可以利用望遠鏡看到這些大質(zhì)量天體背后的光源。愛因斯坦早在1912年就注意到了引力透鏡的可能性，但他直到24年后才發(fā)表了他的想法和相關計算。

這篇報道英國探險隊成功消息的文章，在科學界激起了很大的興奮。它也引發(fā)了公眾的熱情，這種情緒也因時代特殊而被放大了：第一次世界大戰(zhàn)奪去了數(shù)百萬受害者的生命、并造成了嚴重的破壞，而這篇文章恰恰發(fā)表于戰(zhàn)爭剛剛落幕的幾年后。這篇文章提醒人們關注人類大腦的智慧，并展示了科學領域是可以進行國際合作的。這喚起了新的希望。公眾對愛因斯坦的興趣和欽佩之情高漲，他在一夜之間成為了超級巨星。直到生命的最后一刻，愛因斯坦一直坐擁這樣崇高的地位，在今天仍然廣為人知、受人尊敬。


擴展閱讀

在那次日食觀測的百年之際，新出版的兩本書描述了該事件的科學和歷史背景。一本是S. James Gates, Jr.和Cathie Pelletier寫的Proving Einstein Right-The Daring Expeditions That Changed How We Look at the Universe（2019年出版于阿歇特圖書集團）。另一本是Daniel Kennefick寫的No Shadow of a Doubt-the 1919 Eclipse That Confirmed Einstein's Theory of Relativity（2019年出版于普林斯頓大學出版社）。


作者介紹：

Hanoch Gutfreund是耶路撒冷希伯來大學的理論物理學名譽教授。他的研究領域是固體物理學、統(tǒng)計物理學和神經(jīng)計算（腦機接口）。他曾在大學擔任過各種學術和行政職務——物理研究所所長、高等研究所所長、院長和校長。他曾在以色列和國外的各種大學和與教育和科學政策有關的公共崗位任職。近年來，他一直擔任希伯來大學阿爾伯特-愛因斯坦檔案館的學術主任。他負責保護愛因斯坦在以色列和世界各地的遺產(chǎn)。


科學顧問：Osnat Cohen，Adva Ben-Natan

審稿人：Shachar（13歲），Yotam（13歲）

  • 物理術語解釋


日食：當月球直接位于太陽和地球之間，使月球在地球的一部分投下陰影時發(fā)生的一種現(xiàn)象。萬有引力：自然界的基本作用力之一。這是一種作用在物體之間的吸引力，受物體的質(zhì)量和物體之間的距離的影響。狹義相對論：一個由愛因斯坦創(chuàng)建的理論，發(fā)表于1905年，提出了空間和時間測量相對性的觀念。廣義相對論：愛因斯坦于1915年發(fā)表的理論，是狹義相對論的推廣，用于處理考慮引力的變速運動系統(tǒng)。引力透鏡：大質(zhì)量天體的引力會使位于其后的光源發(fā)出的光線變彎，從而使我們的望遠鏡可以看到它們。

  • 翻譯對照表：

《倫敦時報》 London Times

普林西比島 Principe island

索布拉爾市 Sobral

喬治·黑爾 George Hale

克里米亞地區(qū) Crimea

阿瑟·愛丁頓 Arthur Edington

查爾斯·戴維森 Charles Davidson

弗蘭克·戴森 Frank Dyson

米歇爾·貝索 Michele Besso

希伯來大學 Hebrew University


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1 條評論
評論
  • 王曉明 2024/06/15

    httpsblog.sina.com.cnsblog5d9e5b820102z1h9.html古代青銅透光鏡反射出CPT不對稱第五種力物理學底線被擊穿

《賽先生》微信公眾號創(chuàng)刊于2014年7月，創(chuàng)始人為饒毅、魯白、謝宇三位學者，成為國內(nèi)首個由知名科學家創(chuàng)辦并擔任主編的科學傳播新媒體平臺，共同致力于讓科學文化在中國本土扎根。
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