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那次日食证明了爱因斯坦是对的 并改变了我们对宇宙的理解

时间:2020-05-04 21:40:28

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那次日食证明了爱因斯坦是对的 并改变了我们对宇宙的理解

一百年前的这个星期,一次日全食短暂地遮住了太阳,使人类对宇宙有了新的认识。

195月29日,英国科学家准备利用日食来检验一种革命性的引力新理论——广义相对论——这一理论是尚未出名的阿尔伯特·爱因斯坦的构想。相对论现在被称为“人类思想上最伟大的成就之一”,就像当年晚些时候获得诺贝尔奖的物理学家j·j·汤普森(J.J. Thompson)所说的那样。但是直到19日食之前,爱因斯坦19提出的相对论仍然没有得到证实。

经过几个月的准备,剑桥天文台主任阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)在非洲西海岸外的普林西比岛上架设了望远镜和摄影设备。另一位天文学家,皇家格林威治天文台的安德鲁·克伦梅林,在巴西索布拉尔镇安装了他的仪器。

天文学家们能否成功还完全不清楚。霉运阻碍了早期两次对爱因斯坦理论的检验。19日食期间,天气影响了测试;两年后,第一次世界大战的爆发使另一次试验的计划流产。但是195月,战争结束了,天文学家们满怀希望,他们终于能够看到爱因斯坦是否正确。

空间、时间和重力的新概念

两个多世纪以来,引力一直被视为艾萨克·牛顿所认为的物体间的引力。但是在19,爱因斯坦对引力提出了一个新的解释,他没有把引力描述为一种力,而是把它描述为由包括恒星和行星在内的大质量物体的存在引起的空间弯曲。

这有点难以想象,但爱因斯坦和他的同事们意识到,如果这个理论是正确的,它将产生一个简单的、可测量的影响:重力会使光束的路径发生微小的改变。

我们倾向于认为光是完全没有重量的,但事实并非如此简单。光是能量的一种形式,爱因斯坦在他1905年的著名方程E=mc2中指出,能量可以表现为质量。这个新的认识,加上爱因斯坦对弯曲空间的发现,意味着一束光应该弯曲——也就是说,沿着弯曲而不是笔直的路径——以响应重力。

任何物体——保龄球、山、地球——都会使一束光弯曲。但是天文学家知道光的偏转与引起偏转的物体的质量成正比。为了测量微小的偏转,他们需要非常巨大的物体——像我们的太阳。

想象一束光从一颗遥远的恒星上疾驰而过,穿过太阳到达地球。当光线经过太阳时,太阳的引力会使光束的路径发生弯曲,导致恒星的表面位置发生微小的改变。

位于费耶特维尔的阿肯色大学的天体物理学家和科学历史学家丹尼尔·肯纳菲克说:“爱因斯坦做了一个非常深刻的观察——光应该受到引力的影响。”这意味着一束光会被一小部分偏转,“我们应该能够测量这种偏转。”

做出这样的测量是很棘手的。大多数时候,太阳是如此明亮,以至于不可能观察到天空中靠近它的星星。但在日食期间的几分钟内,月亮遮住了太阳的光线,背景恒星可以被拍摄下来,它们的位置也可以被确定下来。

当然,日全食是很罕见的,每年只发生一次,而且只能在地球表面的狭长地带看到。让事情更加复杂的是,爱因斯坦的理论预测星光只会发生微小的移动——相当于从一英里外看一枚镍的宽度。当时的望远镜和照相板几乎无法探测到如此小的移动。

“通过云。有希望的。”

肯纳菲克的新书《毫无疑问的阴影》讲述了对爱因斯坦理论的这一关键检验。当时,组织一次日食探险至少花了一年的时间,没有人知道战争会拖多久。1911月,也就是日食发生前6个月,埃迪顿和克伦梅林“几乎要取消计划,”肯纳菲克说。“如果战争不是在一周后结束,他们可能已经放弃了。”

最后,天气好坏参半。索夫拉尔的天空晴朗。但是普林西比被云层所覆盖,云层消散的时间刚好够爱丁顿的团队在日食结束前拍摄几张照片。

爱丁顿给他在伦敦的同事发了一封三个字的电报:“穿过云层。有希望的。”

日食结束后,天文学家们返回家园,他们花了几个月的时间来测量照片上可见恒星的精确位置。最后,他们得出结论,星光确实发生了位移——而且偏移的幅度与爱因斯坦的理论相一致。

1911月6日,英国皇家天文学家弗兰克·戴森在伦敦举行的皇家天文学会和皇家学会联合会议上公布了这一结果。戴森说,“毫无疑问”,日食的测量结果“证实了爱因斯坦的预测”。

爱因斯坦成为名人

第二天,《伦敦时报》报道了这一消息,几天后,《纽约时报》也报道了这一消息。尽管广义相对论的复杂性令人挠头,但对爱因斯坦理论的证实在全世界引起了数百万人的共鸣。

肯纳菲克说:“这是一个惊人的消息,牛顿的理论突然被推翻了,取而代之的是这个人(爱因斯坦)的理论,他们从来没有听说过。”据说,这个理论非常棒,几乎没有人能理解它。我认为,这对人们来说非常具有戏剧性。”

事实上,人们似乎抓住了这个理论,尽管——或者也许是因为——它的复杂性。

“广义相对论是一个疯狂的、新的、难以理解的理论的典型代表,它对现实的本质有着戏剧性的暗示,”加州理工学院的物理学家肖恩·卡罗尔说。“但你可以看到(结果);你可以拍下来。所以人们被这种兴奋所吸引。”

多年来,历史学家一直质疑19的测试结果是否得到了准确的报道。有些人认为,爱丁顿尤其急于证明爱因斯坦是正确的,以至于他清理了数据——或者甚至省略了似乎不合适的数据点。但是肯纳菲克说,对19获得的观测数据的后续分析证实了最初的发现,而且爱因斯坦的理论确实通过了巨大的考验。

在接下来的几十年里,相对论已经被证实了几十次,而且精确度更高——它还导致了其他令人难以置信的奇迹的发现,包括黑洞和引力波。

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