看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

2020-11-16 11:24:37 4322 views
摘要

“親愛的媽媽,今天有好消息。洛倫茲今天發電報給我,說英國遠征觀測隊證明了太陽會造成星光偏折。”1915年,愛因斯坦的廣義相對論出來後,得到了一些人的支持,但是,還有很多的科學家對他的理論持質疑態度,而真正看得懂的更是非常之少。

「親愛的媽媽,今天有好消息。洛倫茲今天發電報給我,說英國遠征觀測隊證明了太陽會造成星光偏折。」愛因斯坦激動得像小孩得到了夢寐以求的那根棒棒糖一樣,向他的媽媽彙報了這個振奮人心的消息。


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

愛因斯坦

這一天,他等了整整四年。1915年,愛因斯坦的廣義相對論出來後,得到了一些人的支持,但是,還有很多的科學家對他的理論持質疑態度,而真正看得懂的更是非常之少。

愛因斯坦需要實驗來驗證廣義相對論的正確性。

廣義相對論預言了遙遠的星光經過太陽時,會被大質量的太陽彎曲,從而星光會偏折一丟丟,計算的結果是星光會偏折1.74弧秒(1弧秒=1/3600度)。


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

要驗證星光經過太陽時被彎曲的現象,這並不容易。因為星光相對太陽來說太微弱了,平時根本沒法觀測,只有一個機會是,當太陽全日食的時候,我們才容易觀測到太陽背後恆星的光線。

這個機會終於等來了,1919年5月29日會發生一次全日食。英國的科學家愛丁頓是愛因斯坦的鐵忠「粉絲」,他是英國皇家天文學會的秘書和貴格會的會員,他申請到了這次探測的任務。

他安排了兩波人,一波是自己親自帶隊到西非設置營地觀測,另一波人是由德安.科隆美林率領,前往巴西進行觀測。

當愛丁頓的觀測結果公布出來後,整個英國甚至整個科學界都非常的轟動。他們得出的觀測的結果是,星光偏折了1.79弧秒,和愛因斯坦算出來的1.74弧秒比較,誤差在實驗的容許範圍之內。它證明了廣義相對論的正確性。


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

1919年11月6日,英國皇家天文學會公布了這一結果。諾貝爾獎得主也是英國皇家學會的會長J.J.湯姆森莊重的宣布:「這是自從牛頓的萬有引力定律以來,和引力有關的最偉大的發現!也是人類思想史上的最偉大的成就之一。」

第二天,英國倫敦的《泰晤士報》,頭版頭條醒目的打出:科學革命——宇宙新理論——牛頓觀念破產——重大聲明——空間是彎曲的。

愛因斯坦和他的廣義相對論火了!可是,隨之而來的還有大量的質疑和批評。

在科學界主要的質疑的聲音是不相信愛丁頓團隊,真的能準確測量出星光的偏折角度。他們認為,愛丁頓有先入為主的傾向,就是為了讓觀測結果和已經提前知道的數值一致,會刻意去除一些不利的數據,就像一些比賽去掉最高分和最低分一樣。他們認為,愛丁頓團隊一直會調整,到那個最「正確」答案的出現時,就不再往下探測了。甚至還有人說愛丁頓進行學術造假……

支持質疑的聲音,主要是從1919年後,天文學家繼續通過很多日食觀測來檢驗愛因斯坦的預言。1922年在澳大利亞,1929年在蘇門答臘,1936年在蘇聯,1947年在巴西,這些日食觀測里有些似乎確實得到了跟愛因斯坦理論一致的結果,但其他幾個結果卻嚴重偏離了愛因斯坦的預言。

他們相信1919年的遠征隊員們在分析數據時,可能是被廣義相對論的激情淹沒了。要知道,愛丁頓是愛因斯坦的「鐵粉」,並且這次高調觀測,愛丁頓是不會輕易認輸的。

現在我們也很難得出準確的證據,愛丁頓團隊當時有沒有刻意處理過他們的數據,這個不得而知。但是在日本物理學家加來道雄的《愛因斯坦的宇宙》里,他的說法是:愛丁頓小組觀測到的結果是平均偏折量為1.61弧秒,而巴西那邊觀測到的結果是1.98弧秒。加權平均後的結果是1.79弧秒。如果是兩邊觀測加權平均後得到的數據,可信度還是蠻高的。

並且,愛丁頓團隊這次探測也非常的好運氣,據說當天早上還是烏雲密布,而到了下午1:30分需要拍攝星光照片的時候,烏雲奇蹟般的消散了。而且這次日全食發生的時候,太陽周圍正好是畢宿星團的星星,這個星團特別的亮!

日食探測星光偏折,不確定性的因素本來就很多,其他團隊後來沒有得到像樣的精確度,也是沒有什麼可以驚奇的。

也許是牛頓的萬有引力理論,已經深入人心,愛因斯坦廣義相對論用時空彎曲來解釋引力,這個太難以讓人接受了,甚至許多人覺得簡直是謊謬。

即便是,二戰結束後新的雷達和射電天文技術已經精確測量出,星光經過太陽時偏折角度和廣義相對論預言是一致的。可是還是有很多人不願相信這個理論。

其實,早在星光彎曲探測驗證之前,廣義相對論已經正確解釋了困擾科學家們已經很久的「水星近日點進動」的問題。

按照牛頓的運動定律,太陽系中的行星會繞著太陽,做固定不變的橢圓軌道運動。可是科學家們從觀測的數據中總結得出,水星的軌道在一百年間,軌道偏移了575弧秒。


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?


也就是說,行星運動的軌道不是完全閉合的:行星從離太陽最近的一點(叫近日點)向離太陽最遠的一點運行,然後回到最近的點,它繞過太陽不是360°,而是多一點兒。這個軌道方向的緩慢改變通常叫作「近日點的進動」。


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

因為太陽系中還有其他行星,它們對太陽的引力場會有小小的干擾,所以造成行星的「近日點進動」是可以理解的。可是天文學家們排除了所有能夠找到的干涉水星運動的因素後,還是有一個很小的數值的偏差。用牛頓理論去計算,水星的軌道應該在100年進動532秒,就是每一百年水星進動還是有多餘的43弧秒的偏移,這個小小的偏移,當時沒法解釋。


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

誇張的水星進動演示圖

而愛因斯坦廣義相對論出來後,他用廣義相對論效應準確的算出了這個43弧秒偏差的數值。愛因斯坦的理論中,多餘進動的來源之一是引力場本身的能量產生的引力場。而在牛頓理論中,引力只是質量產生的,沒有那個能量的引力場。

大家可以想想,愛因斯坦創立他的相對論時,並不是為了解釋「水星進動」的問題,然而,他的理論卻能準確的計算出這個一直困擾科學家們的偏差,成功解釋了這個問題的原因。這是個比用日食觀測星光彎曲,來檢驗廣義相對論更為堅實得多的理論檢驗。可是,當時也沒有得到非常的重視。

不管是已經有了「水星近日點進動」的理論檢驗,還是「星光彎曲」的實驗檢驗,許多人還是一樣對廣義相對論理論持否認的態度。

愛因斯坦廣義相對論,除了以上兩個檢驗外,當時還有第三個檢驗,就是它預言了光的引力紅移現象。

廣義相對論認為,大質量星體在彎曲時空時,不僅空間是彎曲的,時間也會變慢。時間變慢的結果是,從星體發出的光會經歷引力紅移。因為光的振蕩頻率是由光發射的時間流決定的,時間越慢光的頻率也就變得越慢,而我們知道,光的頻率越慢它的波長就越長。

在可見光中,波長從大到小的排列是,紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫;紅色之外是波長越來越大的紅外線、微波和無線電波;紫色之外波長越來越短的是紫外線、X射線、伽馬射線。光的波長越大,顏色就是越偏向紅色端,這個過程就叫做引力紅移。


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

太陽表面發出的光,產生的引力紅移現象,現在已經可以精確的探測得到。甚至還可以測出在太陽表面,時間流會比遠離太陽的地方慢百萬分之二,1年會慢64秒。

如果廣義相對論理論檢驗了「水星進動」,實驗檢驗了「星光彎曲」、「引力紅移」,你還是沒法相信廣義相對論,那麼它後來預言的「引力透鏡」已經可觀測得到;


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

它預言的「引力波」,在1905年9月,我們已經捕捉到了它;

它預言的宇宙在「膨脹」,1929年,哈勃通過望遠鏡的觀察,發現遠處的星系在遠離我們,加上他系統的計算得到了確證,宇宙確實是在膨脹的。

它預言黑洞的存在,1964年,人類通過X射線,第一次發現了黑洞天鵝X-1。2019年4月10日,我們已經拍到位於M87中心的超巨大黑洞的照片,這是人類史上第一張直接對我們黑洞觀測的天文影像。


看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

北京時間2019年4月10日晚21點,人類史上首張黑洞照片面世

2020年,諾貝爾物理學獎已經發給,對「發現黑洞形成是廣義相對論的有力預測」的彭羅斯,還有德國天體物理學家根澤爾和美國天體物理學家蓋茲。他們兩個發現銀河系中心有一個超大質量,大約為400萬太陽質量的黑洞。

如今,在科學共同體中,大家幾乎已經認可和信任廣義相對論。我們清楚,科學理論並不是真理,但是,在它得到越來越多的實驗檢驗時,它的正確度就越來越高。就像斯蒂芬.溫伯格說的:廣義相對論為大家所接受,既不單靠實驗數據,也不單靠理論的內在性質,而是依賴於理論和實驗交織的一張複雜的網。

然而,每次提到廣義相對論,還會有不少人跳出來指責批評一翻,大有要推翻廣義相對論的架勢。

提出質疑並不是不可以,但是在提出質疑之前,希望要弄清楚,狹義相對論的主要基礎假設是「光在任何參照系下,速度不變」,廣義相對論的基礎假設是「等效性原理」。俗話說,「打蛇打七寸」,別浪費時間GGYY,如果想要推翻廣義相對論,有本事先去證明這兩個基礎假設是錯誤的,諾貝爾獎估計會發給你。

和大人聊科學,小朋友卻聽懂了,就是 關注我,漲姿勢~


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