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空间扰动:引力场中的光偏转,天文学史话

时间:2023-10-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:如果有人观察到引力场中一束光发生了偏转,那就证明它是受到了时空结构中由星体质量引起的扰动的影响。不幸的是,光速太快了,要进行这样的观测需要一个质量足够大的星体在时空结构中产生幅度足够大的扰动,使得光的路径发生偏移。在日全食发生前几天,世界各地的天文学家们非常精准地推算出了日全食期间太阳背后部分恒星的位置。

空间扰动:引力场中的光偏转,天文学史话

上述假设您一定在某些纪录片中看到过,而这些影片似乎也没能给出真正清晰的解释。在代表时间与空间的网格结构中,当一个物体围绕某个星体旋转时,它只是被困在了后者周围凹陷的旋涡之中。

上面的图示并不准确,因为空间是三维的。更加相似的示意图应该如下:

那么,该如何证明我们所处的宇宙中时间与空间实则为同一种物质,而引力不过只是该结构受质量干扰的一种表现呢?

我们回归等效原理[1]来看待这个问题,想象一下之前所在的加速平台周围有四面墙环绕,且两面相对的墙上各有一扇窗户。而在“向上”移动的过程中,有一束光穿过两扇窗口。

在这种情况下,光束进入具有一定高度的第一扇窗,由于平台的位移,其经过第二扇窗时的位置将会有所不同。如果我们能够用肉眼观察到这一过程,就会发现这束光在我们鼻子前面画了一道曲线。

前文提及,在地球上与在该加速平面的情景是等同的,那么在光穿越地表引力场时也应该有微小的偏移。但在牛顿物理学中,只有两个有质量的物体之间才存在引力,而光没有质量,那么它与其他任何物质间都不应该存在力。也就是说,引力是无法让光束发生偏移的。

然而,如果爱因斯坦的理论完全正确的话,地球的引力场与加速平台的情况等同,那么我们应该能看到光线在较强引力场周围发生弯曲。这并不是由于某种力作用于它,而是因为空间本身的弯曲,光线也只能沿曲线行进。

如果有人观察到引力场中一束光发生了偏转,那就证明它是受到了时空结构中由星体质量引起的扰动的影响。因此,也就能够证实爱因斯坦的理论。

不幸的是,光速太快了,要进行这样的观测需要一个质量足够大的星体在时空结构中产生幅度足够大的扰动,使得光的路径发生偏移。唯一一个具有巨大质量、能够让我们相对轻松地进行研究的星体就是太阳

假设我们能够观测到如下图所示的景象:相对位置在太阳背面的恒星群,其光芒在经过太阳时偏移了一定角度后到达地球,那么对上述理论的验证就有了明确的答案,我们也可以按时收工,回家晚餐了。(www.xing528.com)

不过,事情往往没那么简单。正如您心中所想的那样,太阳的光芒过于耀眼,一般情况下,怎么会有人能够观察到另一颗恒星的光线在经过太阳时的景象呢?

为此,我们不得不等待一种较为罕见的天体现象,在全世界范围内对其进行观测。这一次,需要等待月亮在日全食期间完全覆盖住它的亮度,以便地球上的人能够看到太阳周边昏暗微弱的星光,并观察它们是否发生了方向的偏移。

幸运的是,仅在爱因斯坦发表相对论后的第四年,也就是1919年,就出现了一次日全食。

实验过程非常简单。在日全食发生前几天,世界各地的天文学家们非常精准地推算出了日全食期间太阳背后部分恒星的位置。如果在日全食期间,科学家们在地表上通过观测推算出的恒星位置与上述结果有出入,则意味着是太阳的引力使得这些光线在到达地球时发生了偏移,也就证实了爱因斯坦的理论。

当这一天终于到来时,早早驻扎在巴西和南非的两队天文学家拍摄到了持续6分钟的日全食景象。在对这些照片进行详细分析后,同年11月科学家们得出结论,恒星的光线确实因太阳引力而发生了偏转,证明我们所在的宇宙中时空结构会由于重力产生弯曲。

望远镜设备的改进使科学家们能够在更大范围内观测光线的偏折现象:一个大质量的星系可以影响来自其他遥远星系的光线,使其弯曲。如果两星系的光线在朝向地球的角度内发生重合,我们在地表上就能够观察到那些发生偏转的光,似乎它们是经过了一个透镜折射而来。因此,这种现象得名为引力透镜效应。

现在继续前面的话题,如果质量能够使时空结构发生弯曲,那引力场的强度会不会影响我们对时间的感知呢?

答案是肯定的。

[1]  等效原理,广义相对论中较为重要的引力原理。——译者注

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