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百年前日全蝕實驗證實愛因斯坦相對論

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【新三才首發】一百年前的現在,第一次世界大戰剛結束,一位英國的天文學家觀察了一次日蝕現象,以尋找德國某個物理學家對宇宙會扭曲的認知可能是正確的佐證。

這個大膽的新理論想法來自於於阿爾伯特•愛因斯坦,他的姓與天才同義。但他的名字並不總能讓人產生這種感覺:人們懷疑他的理論真能描述現實世界。此時,在一次日蝕期間進行的特殊實驗,讓愛因斯坦成為一個物理界的傳奇人物。

日蝕就像它字面上讓人的感覺一樣神奇:每隔幾年,從地球上看,月亮能夠完全以及精確地遮擋住太陽的本體。正如美國宇航局的好奇號火星探測車在2019年3月拍攝的照片所指出的那樣,像火星一樣的行星,即使有兩個衛星圍繞著它,也沒有這麼好的運氣。我們月球的位置和大小恰好可以與需要得到日全蝕的位置和大小重合。

除了作為奇觀之外,日蝕還提供了進行各種研究的機會,例如研究太陽的日冕(太陽的外層大氣)或自然界對昏暗光線的反應。1919年,亞瑟•愛丁頓和他的研究小組開始尋找大型物體的重力可以彎曲光線的行進方向的跡象,來證明愛因斯坦發展的理論物理學的正確性已經超越了牛頓的古典力學。

如果星光在前進過程會被體積巨大的太陽所改變,那麼在經過太陽之後,當從地球上觀察時,會認為恆星出現在略微不同的位置。但是當太陽高掛天空時,刺眼的陽光讓我們看不到附近恆星發出的光芒—除了在日蝕期間之外。

1919年5月29日,愛丁頓觀察到西非海岸普林西比島發生的長時間日蝕。同時,天文學家從巴西的索布拉爾鎮進行了觀測。該團隊使用可移動儀器來記錄Hyades星團的恆星(它們形成金牛座中的公牛臉)出現在天空中的位置,並將這些觀察的結果與愛丁頓先前在夜空中觀察這個星球位置的資料進行了比對。

最明顯的是,調查結果顯示直進光線的最大偏移量「相當於兩英里外看著25美分硬幣的角度」,作者Ron Cowen在他的新書《重力的世紀》中寫道(哈佛大學出版社,2019年)。

愛丁頓進行這個特殊實驗的儀器很有創意。「探險隊使用了定天鏡,這是專為觀察太陽而設計的鏡子,負責將光線反射到望遠鏡鏡頭中。」Cowen表示。「必需要用到鏡子,因為望遠鏡為了簡化行程,沒有機械裝置來驅動或旋轉裝載著鏡頭的鋼管。通常,會有這樣一種機械裝置,以便在地球旋轉時使望遠鏡能對準目標。如果望遠鏡不能旋轉,則在拍攝曝光期間星星會移動,感光的成像將會出現條紋而不是個清晰的圖像。」

Cowen補充說,不需要移動整個望遠鏡來保持儀器固定在Hyades和日蝕的相對位置上,只要一個小型發條裝置來移動鏡子以補償地球的自轉效應就行。

當結果出現時,科學家們計算出Hyades發出的光線在通過地球的路徑上經過太陽時確實發生了偏移。

愛因斯坦想到了這種可能性,那就是一個質量夠大的物體的重力可以使光線前進方向發生偏移。當結合數學方程式和推想的實驗(在想像中進行的那些推演)來確定光線將以相同的速度向任何一組以固定速度移動的觀察者前進。這就是狹義相對論。

但是當愛因斯坦開始思考當觀察者本身在加速運動,光將呈現出甚麼狀態的時候,他意識到空間和時間被合成一體,而重力則是這種結構的一部分。重力就像在跳蹦床表面(時空)凹陷成的傾角一樣,球(大塊物體)在它上面滾動。當球以直線行進時,傾角會讓其行進路徑發生改變。

愛丁頓是個和平主義者,因此他拒絕在第一次世界大戰中服役,所以受到了許多批評。有些人認為這位科學家支持愛因斯坦這種德國科學家是帶有偏見的,是因為愛因斯坦反對過去的民族主義爭端並且接受人道主義。Cowen認為,愛丁頓的宗教信仰(他是貴格會的,該派反對所有的戰爭與暴力)完備了他對愛因斯坦大膽的科學進步的支持。另一方面來說,作家兼物理學家Kennefick認為,愛丁頓的世界觀優先排序是在他認為正確的科學之後。

「根據狹義相對論的發現,人們不再清楚要如何解釋牛頓引力定律應用到光運動中的變量。」Kennefick補充說,太陽的質量對於光線偏轉測試非常重要,根據牛頓的說法,知道太陽通過銀河系的速度是確定其質量所必需的。但愛因斯坦1915年的廣義相對論提供了一個更簡單的觀點:「太陽在銀河系中的運動並不重要,因為在那個運動中我們與太陽是一起移動的。」Kennefick說道。這讓類似愛丁頓採取的光線偏折觀察一樣的實驗,它們的結果是有效的。

Cowen的書《重力的世紀:從愛因斯坦的日蝕到黑洞的影像》於2019年5月6日出版。Kennefick的書《沒有懷疑的陰影:確認愛因斯坦相對論的1919年日蝕》也於2019年\出版。

(編譯:心宇)

(責任編輯:姜啟明)

(文章來源:新三才首發)

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