廣義相對論經歷的6大考驗

愛因斯坦曾自豪地說 , 如果沒有他 , 狹義相對論也會很快被別人想到 , 但廣義相對論就不一樣了 。 離開了他 , 恐怕不會那么容易地建立起來 。
【廣義相對論經歷的6大考驗】時至今天 , 你要是想鉆研廣義相對論 , 極可能依然會被其深奧的數學所嚇倒 , 但其思想精髓幾乎盡人皆知——引力可以解釋為時空的彎曲 。
引力不是已經被牛頓解釋得好好的 , 愛因斯坦干嘛要標新立異呢?不用說 , 當然是如果不這樣做 , 很多現象用舊理論就解釋不了的緣故 。
在過去的100年里 , 廣義相對論不僅已解釋了許多舊理論無法解釋的現象 , 還做了許多新的預言 , 這些預言已經被后人一一證實 。 所以時至今天 , 廣義相對論依然是我們對引力現象的最好解釋 。 下面 , 我們不妨來看一看廣義相對論經受住時間考驗的6個例子 。

廣義相對論經歷的6大考驗



水星近日點進動異常
19世紀中期海王星的發現一直被視為牛頓的引力理論所取得的最偉大的成就 。 1846年 , 法國數學家勒威耶在研究天王星軌道數據時 , 意識到它的一些異常行為可能是由另一顆未知的大質量天體引起的 。 他根據牛頓的引力定律 , 計算出未知天體的大致的位置 。 僅僅過了幾個月 , 一位德國天文學家就在該位置上觀察到了一顆新的行星 , 即海王星 。
然而在太陽系內 , 另一顆早已熟知的行星 , 反倒成了牛頓理論的“肉中刺” 。 這顆行星就是離太陽最近的水星 。
1859年勒威耶發現 , 水星每一次抵達它離太陽最近的位置(即水星的近日點) , 都比牛頓理論的預言晚了半秒鐘 。 這就是所謂的“水星近日點進動異?!?。 這個進動異常雖然并沒有多少 , 每一周期僅偏離牛頓理論預言值的億分之一 , 然而隨著水星一圈一圈地運動(水星的公轉周期是88天) , 這個效果是在不斷累積的 , 所以水星的近日點偏離牛頓理論預言的位置會愈來愈遠 。
起初 , 就像天王星的情況一樣 , 大家猜測 , 一定有一顆新的行星潛伏在水星附近 , 從而影響了它的軌道運動 。 人們還把這顆未知天體命名為“火神星” 。 但經過連續數十年的搜索 , 人們也依然沒有發現它的影子 。
1915年 , 愛因斯坦利用廣義相對論準確計算出了水星近日點進動的異常值 , 并把它歸因于太陽的巨大質量所引起的時空彎曲 。
頗具諷刺意味的是 , 后來人們還發現 , 天王星的軌道也存在近日點進動異常 , 這個異常最后也是借助廣義相對論才得以圓滿解決的 。 迄今 , 與水星近日點進動類似的所有現象都跟廣義相對論的預言符合得很好 , 其中還包括太陽系外的雙中子星系統 , 盡管這類天體在1930年代之前甚至還沒有人能夠想像得到 。
光的傳播方向被天體偏轉
愛因斯坦雖然成功地解釋了水星近日點進動異常問題 , 但這項成果并沒有引起特別大的反響 。 真正把他推向超級明星的地位 , 是幾年之后的另一項成就 。
在廣義相對論創立之初 , 愛因斯坦就做了一個大膽的預言:像太陽這樣的大質量天體 , 會引起其周圍的時空彎曲 , 足可改變從它附近穿過的光的傳播路徑 。
這個預言引起英國天文學家愛丁頓的極大興趣 。 他意識到 , 1919年3月29日 , 當太陽經歷一場日全食時 , 是驗證廣義相對論的一次絕佳機會 。 屆時 , 太陽正穿過以一個叫“畢星團”的明亮星系團為背景的天區 , 而來自太陽自身的絕大部分光芒都被月球遮擋了 。 如果愛因斯坦是對的 , 太陽的存在將會把來自畢星團的光線偏轉 , 使畢星團在天空中觀察到的位置跟實際位置稍有偏離 。

猜你喜歡