宇宙时空 百年前日全蚀实验证实爱因斯...

百年前日全蚀实验证实爱因斯坦相对论

分享

【新三才首发】一百年前的现在,第一次世界大战刚结束,一位英国的天文学家观察了一次日蚀现象,以寻找德国某个物理学家对宇宙会扭曲的认知可能是正确的佐证。

这个大胆的新理论想法来自于于阿尔伯特•爱因斯坦,他的姓与天才同义。但他的名字并不总能让人产生这种感觉:人们怀疑他的理论真能描述现实世界。此时,在一次日蚀期间进行的特殊实验,让爱因斯坦成为一个物理界的传奇人物。

日蚀就像它字面上让人的感觉一样神奇:每隔几年,从地球上看,月亮能够完全以及精确地遮挡住太阳的本体。正如美国宇航局的好奇号火星探测车在2019年3月拍摄的照片所指出的那样,像火星一样的行星,即使有两个卫星围绕着它,也没有这么好的运气。我们月球的位置和大小恰好可以与需要得到日全蚀的位置和大小重合。

除了作为奇观之外,日蚀还提供了进行各种研究的机会,例如研究太阳的日冕(太阳的外层大气)或自然界对昏暗光线的反应。1919年,亚瑟•爱丁顿和他的研究小组开始寻找大型物体的重力可以弯曲光线的行进方向的迹象,来证明爱因斯坦发展的理论物理学的正确性已经超越了牛顿的古典力学。

如果星光在前进过程会被体积巨大的太阳所改变,那么在经过太阳之后,当从地球上观察时,会认为恒星出现在略微不同的位置。但是当太阳高挂天空时,刺眼的阳光让我们看不到附近恒星发出的光芒—除了在日蚀期间之外。

1919年5月29日,爱丁顿观察到西非海岸普林西比岛发生的长时间日蚀。同时,天文学家从巴西的索布拉尔镇进行了观测。该团队使用可移动仪器来记录Hyades星团的恒星(它们形成金牛座中的公牛脸)出现在天空中的位置,并将这些观察的结果与爱丁顿先前在夜空中观察这个星球位置的资料进行了比对。

最明显的是,调查结果显示直进光线的最大偏移量「相当于两英里外看着25美分硬币的角度」,作者Ron Cowen在他的新书《重力的世纪》中写道(哈佛大学出版社,2019年)。

爱丁顿进行这个特殊实验的仪器很有创意。「探险队使用了定天镜,这是专为观察太阳而设计的镜子,负责将光线反射到望远镜镜头中。」Cowen表示。「必需要用到镜子,因为望远镜为了简化行程,没有机械装置来驱动或旋转装载着镜头的钢管。通常,会有这样一种机械装置,以便在地球旋转时使望远镜能对准目标。如果望远镜不能旋转,则在拍摄曝光期间星星会移动,感光的成像将会出现条纹而不是个清晰的图像。」

Cowen补充说,不需要移动整个望远镜来保持仪器固定在Hyades和日蚀的相对位置上,只要一个小型发条装置来移动镜子以补偿地球的自转效应就行。

当结果出现时,科学家们计算出Hyades发出的光线在通过地球的路径上经过太阳时确实发生了偏移。

爱因斯坦想到了这种可能性,那就是一个质量够大的物体的重力可以使光线前进方向发生偏移。当结合数学方程式和推想的实验(在想像中进行的那些推演)来确定光线将以相同的速度向任何一组以固定速度移动的观察者前进。这就是狭义相对论。

但是当爱因斯坦开始思考当观察者本身在加速运动,光将呈现出甚么状态的时候,他意识到空间和时间被合成一体,而重力则是这种结构的一部分。重力就像在跳蹦床表面(时空)凹陷成的倾角一样,球(大块物体)在它上面滚动。当球以直线行进时,倾角会让其行进路径发生改变。

爱丁顿是个和平主义者,因此他拒绝在第一次世界大战中服役,所以受到了许多批评。有些人认为这位科学家支持爱因斯坦这种德国科学家是带有偏见的,是因为爱因斯坦反对过去的民族主义争端并且接受人道主义。Cowen认为,爱丁顿的宗教信仰(他是贵格会的,该派反对所有的战争与暴力)完备了他对爱因斯坦大胆的科学进步的支持。另一方面来说,作家兼物理学家Kennefick认为,爱丁顿的世界观优先排序是在他认为正确的科学之后。

「根据狭义相对论的发现,人们不再清楚要如何解释牛顿引力定律应用到光运动中的变量。」Kennefick补充说,太阳的质量对于光线偏转测试非常重要,根据牛顿的说法,知道太阳通过银河系的速度是确定其质量所必需的。但爱因斯坦1915年的广义相对论提供了一个更简单的观点:「太阳在银河系中的运动并不重要,因为在那个运动中我们与太阳是一起移动的。」Kennefick说道。这让类似爱丁顿采取的光线偏折观察一样的实验,它们的结果是有效的。

Cowen的书《重力的世纪:从爱因斯坦的日蚀到黑洞的影像》于2019年5月6日出版。Kennefick的书《没有怀疑的阴影:确认爱因斯坦相对论的1919年日蚀》也于2019年\出版。

(编译:心宇)

(责任编辑:姜启明)

(文章来源:新三才首发)

留下一个答复

Please enter your comment!
Please enter your name here