為何說100年以前的一場全日食證明了愛因斯坦對了而牛頓錯了

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一場發生在1919年5月29日的全日食,給了牛頓宇宙體系致命一擊。

1919年5月29日,世界永遠地改變了。幾百年來,艾薩克·牛頓的引力理論——宇宙引力的法則,從未被挑戰過,因為它的預測符合每一個已做過的觀測和測量。然而牛頓對水星軌跡的預測卻和十九世紀中期天文學家們看到的水星所表現出來的不一樣,科學家們也不知道該怎麼解釋這個差異。

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也許,我們還是需要修改引力法則。當狹義相對論提出時,證據增加了。它證明不存在絕對距離這種東西。牛頓的理論預測存在瞬時力,這與相對論相違背。1915年,埃爾伯·愛因斯坦提出了一個替代萬有引力的新理論:廣義相對論。測試廣義相對論與牛頓的理論相對的方法就是等待一場全日食。100年以前,愛因斯坦被證實是對的。以下為證明方法。

像全日食這樣的大事件能夠為愛因斯坦的相對論提供一個獨特的測試,當遙遠天體的光線從太陽附近經過時,它會被彎曲,但對於地球上的觀天者來說,當太陽被遮住時,灰暗的天空使得這些天體仍舊是可見的。在1919年5月29日這天,這個方法為愛因斯坦的廣義相對論提供了第一個證明。(NASA科學可視化工作室)

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如今,愛因斯坦的廣義相對論可論證為史上最成功的理論。這個理論解釋了從GPS信號到引力紅移,從引力透鏡到黑洞融合,從脈衝星調速到水星軌道的所有事情。廣義相對論的預測到現在為止還沒有失靈過。

1915年,當這個理論第一次被提出時,它正嘗試取代牛頓的萬有引力。然而,儘管它能再現早期牛頓理論的成功並解釋水星軌道(這是牛頓理論做不到的)。但是這個關鍵測試將會以一種新的預測形式出現,而且這個預測與宇宙引力法則的預測截然不同。一場全日食將提供一次獨特且直接的機會。

在太陽系中,由行星和太陽吸引造成的空間彎曲,必須被考慮進航天器或者是天文台會進行的任何觀測中去。從空間探索到GPS信號衛星再到太陽附近經過的光信號,在此應用範圍內,即使是十分微小的事情,廣義相對論的作用都不能被忽略。(美國國家航天局/噴氣推動實驗室—加州理工大學,卡西尼任務)

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在牛頓的萬有引力理論中,任何有質量的物體都會吸引其他有質量的物體。雖然光沒有重量,但它有能量,因此通過愛因斯坦的質能方程式:能量=質量*光速²(E=mc²,寫作m=E/c²)你可以給它分配一個實際質量。如果讓一個光量子從一個大質量物體附近經過,可以用它確切的質量預測這束星光應當彎曲多少,你能獲得一個有效值。在太陽的邊緣附近,這個值比1角秒(1/3600度)還小。

但在愛因斯坦的廣義相對論中,由於質量的存在,空間與時間都被扭曲。而在牛頓的引力體系中,物體只有在空間中運動時才受引力影響。這意味著相對於牛頓的理論,愛因斯坦的理論推測出了額外1角秒的彎曲(事實上,要小更多,尤其是當接近設想中的質量時),或者說一個在太陽附近的接近2角秒的彎曲。

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一張引力透鏡的圖例展示了背景星系或任意光路是如何因為中間質量的存在而發生扭曲的。同時它也展示了空間本身是如何因為前景星系的存在而彎曲,變形的。在愛因斯坦提出廣義相對論之前,儘管許多人對此表示懷疑,但他相信這個彎曲一定存在。一直到1919年,那場全日食證明了他的推測。愛因斯坦和牛頓都對應當出現的彎曲數量作出了預測,二者間有一個意義重大的不同——在廣義相對論中,空間與時間均受質量影響。

關於愛因斯坦是如何提出廣義相對論的歷史非常吸引人,因為事實就是牛頓的萬有引力的確存在缺陷,這激勵了愛因斯坦構思他的新概念。

牛頓的引力理論於1687年提出,它是一條十分簡單的法則:在空間任意位置將物體以固定的距離分隔開,你可以直接算出他們之間的引力。這條法則解釋了從地球上的加農炮的運動到彗星,行星,恆星這類天體的運動的一切事物。過去200年,它已經通過了所有測試。但是一個討人厭的觀測打亂了這一切:太陽系最內部行星的細微運動。

科學家Urbain Le Verrier通過分析天王星軌道異常,發現了海王星以後,他便將注意力轉向了水星軌道異常。他假設了一顆內部行星祝融星,作為水星軌道異常的解釋。儘管祝融星不存在,但正是Le Verrier的估計,幫助並引導愛因斯坦得出最終結果:廣義相對論。

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每顆行星都以橢圓形軌道繞太陽運動,然而這個橢圓軌道並不是靜止的。儘管每條軌道最終都會回到空間中同一固定點,但更多的,它是進動著的。進動就像是看著軌道不停的在空間中旋轉,雖然速度極慢。從15世紀晚期開始,第谷和布拉赫就對水星進行了極其精確的觀測,因此有了這三百年多年以來的觀測數據,我們的測量就格外出色。

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根據牛頓的理論,由於地球春秋分點的行進和太陽系內行星對水星軌道有影響,水星軌道應當每世紀旋進5557角秒。但是通過觀察我們發現這個數據實際上應該是每世紀5600角秒。這個每世紀43角秒(每年僅0.00012度)的差別在牛頓的理論中並沒有得到解釋。要麼是在水星和太陽之間還有一顆行星(觀測結果已將該可能排除),要麼是舊的引力理論有錯誤。

根據這兩種不同的引力理論,當其他行星和地球的運動對水星軌道的影響被剔除後,牛頓預測的是紅橢圓(保守的),與之相對,愛因斯坦預測的是藍橢圓(行進的)。(維基共享資源用戶KSMRQ)

但是,愛因斯坦的新理論能夠解釋這個偏差。他花了數年時間構建廣義相對論的框架,在該理論中,引力不是由物體相互吸引造成的,更多是由物質能量彎曲空間構造引起的。而且,所有天體都會穿過這個空間。當引力場較弱時,牛頓的法則是愛因斯坦理論非常好的近似值。

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然而,當天體接近大質量或處於高速狀態時,愛因斯坦的預測便與牛頓的預測不同。愛因斯坦確切地預測出了那個每世紀43角秒的差別。但是,推翻一個科學理論的障礙比這可多得多,要取代舊理論,新理論必須達到如下條件:

重現舊理論的成功之處。(換句話說,舊理論在某種程度上還是優越的。)

在舊理論不適用的領域中取得成功。(換句話說,新理論不能依託舊理論解決問題)

提出一個你能想到的並且可以測試的新預測,將新舊理論區分開來。(換句話說,你不需要有任何合乎科學的預測力)

最後一點便是日食會在哪裡出現

在一次全日食過程中,由於有中間質量太陽的存在,光線出現了彎曲,恆星會出現在和它們實際位置不同的方位。偏轉的數量由光線經過的空間方位中的引力影響強度決定。(E.SIEGEL/銀河系之外)

當恆星出現在夜空時,來自各星系不同地方的星光進入我們眼中,許多光在很多年前就出發了。如果牛頓是正確的,那光要麼應當完全沿直線傳播,它經過任何質量時都不會被彎曲;要麼根據質能方程式描述的引力影響,它應當彎曲。(畢竟,如果E=mc2,那麼根據m=E/c2,你就可以把光看作是有確切質量的了)

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不過,愛因斯坦的理論給出了一個與前兩個數字截然不同的預測,特別是當光近距離經過一個大質量天體時。那額外的1角秒(或者說是2+額外的十萬分之一角秒)是愛因斯坦理論中一個獨特且十分具體的預測,一年中,它可以通過不同時間進行的兩次觀測來檢驗。

儘管有人可以爭辯說牛頓引力理論預測了無偏轉或者根據力學法則和質能方程式(E=mc2)預測了一個數量極其微小的偏轉,但愛因斯坦的預測仍是最權威的且與這兩個都不同。(NASA/宇宙時間/哥達德太空飛行中心, JIM LOCHNER AND BARBARA MATTSON)

離地球最近的質量最大的天體是太陽,它通常在白天散發可見光。根據愛因斯坦的理論,當光線從太陽的邊緣附近經過時,它是在彎曲的空間內傳播,這就導致了光路會出現彎曲。然而在一次全日食過程中,月亮會從太陽前部經過,並擋住太陽光進而導致天空變得像晚上那麼暗,最後使得恆星能在白天被看見。

如果在此之前你曾高精度地測量過這些恆星的方位,由於附近大質量天體存在,你就能看出它們是否移動過,移動了多少。如果你能以亞角秒水平偵測偏轉方位,你就可以準確知道牛頓,愛因斯坦或其他人的預測是不是正確的。

早在1900年的一場日食期間,就鑒定了一張早期的恆星感光片(圓圈形)。當時它十分引人注意,因為在上面不僅可以辨別出日冕,還可以辨別出恆星。只是恆星方位的精確度還不足以檢驗廣義相對論的預測。

這次日全食期間的太陽照片底片不僅展現了之前日冕層的細節,還揭示了白天時恆星的存在和方位。但是,之前的照片沒有一張品質足夠高,達不到用來確定附近恆星的偏轉方位所必需的精度。因為光線的偏轉程度非常小,探測它需要極高精度的測量尺度。

在1915年愛因斯坦提出廣義相對論以後,只有少量機會檢驗它:1916年,一戰干涉;1918年,嘗試觀測卻被雲妨礙了;1919年,實現第一次成功檢驗!亞瑟·愛丁頓策划了一次包括兩支隊伍的「征途」,一支在巴西,一支在非洲。這次全日食是20世紀最長的全日食之一,持續時間近7分鐘。在日食過程中,他們負責拍攝並測量這些恆星的位置。

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現存的來自於1919年愛丁頓征途清晰或不清晰的照片底片(有線條)向我們展示了可識別的恆星的位置,他們可以用於測量因太陽存在而產生的光線偏轉。這是第一次直接且具實驗性的證實了愛因斯坦的廣義相對論。

這些觀察結果引人注目且深刻:愛因斯坦的理論是正確的,在由太陽引起的光線彎曲面前,牛頓的理論分離崩解。儘管這些數據和分析有爭議,許多人指責(有一些人仍舊在指責)亞瑟·愛丁頓為了得到一個可以肯定愛因斯坦預測的結果「加工了數據」,然而,隨後的日食確切地表明了愛因斯坦的理論能在牛頓萬有引力理論失效時起作用。

另外,對愛丁頓工作進行的細緻再分析顯示它其實足夠好,可以用來證明廣義相對論的預測。全球的報刊專欄都在極力宣傳這個巨大的成功,即使已經過去了一個世紀,一些世界上頂尖的科普作者仍在發行關於這次傑出成就的優秀書籍。

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對於這個不可思議的科學突破,紐約時報和倫敦新聞畫報的頭條呈現出來的不僅是報道深度和質量的差異,還有這兩個不同國家的記者所表現出來的興奮程度。「光在靠近質量時會被彎曲,彎曲的數量竟然和愛因斯坦預測的一樣。」(紐約時報,1919年11月10日;倫敦新聞畫報,1919年11月22日),2019年5月29日,標誌著那天的100周年紀念日到來。那天的那件事、那次征途證明,在引力如何運作這個領域裡,愛因斯坦的廣義相對論是人類的領導理論。牛頓的理論依然十分有用,但只是在限制的有效性範圍內近似於愛因斯坦的理論。

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同時,廣義相對論已持續成功地預測了從參考系拖拽到引力波的所有事情,並且也遇到了與其預測相抵觸的觀測結果。這標誌著廣義相對論被證明有效已經整整一個世紀,卻沒有一絲關於它在某天可能會瓦解的線索。儘管我們的確不知道有關宇宙的所有事情,包括量子引力理論以後可能會是什麼樣子,但是用來慶祝我們已知的東西的日子。第一個具有批判性的測試已過去100年,最好的引力理論卻仍然沒有表現出任何衰敗的跡象。

作者:Ethan Siegel

FY:CH1898

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