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爱因斯坦预言的光线弯曲与观测

时间:2023-11-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:这次观测的延迟对于爱因斯坦来说应该是一个幸运事件,因为直到1914年,他对光线路径偏折的计算并没有考虑到空间弯曲所造成的效应,预测值为0.87秒角,而这个预测值是不正确的。这次的观测进行得很顺利,而观测数据分析的结果符合了爱因斯坦广义相对论的预测。

爱因斯坦预言的光线弯曲与观测

历史上,牛顿最先提出光线受引力的影响,它所行进的路径会产生偏折的可能性。在此之后,卡文迪许(Henry Cavendish,1731—1810)、米歇尔(John Michell,1724—1793)、拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749—1827)和索尔德纳(Johann Georg von Soldner,1776—1833)也都曾经做过光线路径偏折的具体计算。回到1911年,爱因斯坦在尚未建构出完整的广义相对论之前,就曾经基于等效原理和他早先的理论结果,预言光线在经过太阳时会受到它的引力作用影响而产生0.87秒角的偏折。(1)

对于光线经过太阳会产生偏折的观测,在广义相对论诞生前就已经尝试进行。观测的对象是恒星所发出的光线,因为太阳光太强烈,所以可行的观测只能在日食发生时进行。

图1-2 弯曲时空与光线路径偏折

在1914年7月底,德国天文学家弗洛因德里希(Erwin Finlay-Freundlich,1885—1964)与两位同伴总共携带三组相机前去克里米亚(Crimea),为观测将发生在8月21日的日食做准备。很不幸地,德国在8月1日的正式宣战开启了第一次世界大战,俄国也出兵参与战争。因此,俄国政府拘留了弗洛因德里希,并没收他的设备,使得这次的观测计划被迫中止。爱因斯坦曾经抱怨:“决定我的科学奋斗中最重要的结果,将不会在我的有生之年看到。”事实上,当时另一组美国的观测队伍并没有受到战争发生的影响,可惜日食当天的天气并不好,是一个不适合拍摄的阴天,因此美国队伍的观测过程也不顺利。不久之后,弗洛因德里希就因战俘的交换而被释放。

这次观测的延迟对于爱因斯坦来说应该是一个幸运事件,因为直到1914年,他对光线路径偏折的计算并没有考虑到空间弯曲所造成的效应,预测值为0.87秒角,而这个预测值是不正确的。一年之后,爱因斯坦理解到空间弯曲的部分和时间弯曲的效应是一样大,他修正预测值增加到1.74秒角,是原始结果的两倍,而这才是正确的数值。如果在1914年8月弗洛因德里希成功地完成了对光线弯曲的测量,那么他的观测结果就会不符合爱因斯坦的预言,那么爱因斯坦将会发现自己处在一个相当尴尬的位置上。

支持广义相对论最关键的观测结果,是英国天文物理学家爱丁顿(Arthur Stanley Eddington,1882—1944)所领导的团队在1919年完成的。爱丁顿是广义相对论在英国首要的支持者,他曾用英语写了许多文章来介绍并推展广义相对论。和爱因斯坦一样,爱丁顿在当时是少数和平主义的热衷支持者。第一次世界大战期间,爱丁顿已是皇家天文学会(Royal Astronomical Society)的秘书,这段时期,英国实行了征兵政策,而爱丁顿宁可被判刑也不愿意入伍服役参与战争。经过了一番努力,他以日食观测在科学研究中的重要性为由,成功地说服仲裁庭给予他一年的兵役豁免权,让他可以领导1919年的日食观测团队。幸运的是,这场战争在爱丁顿豁免时效过期前的1918年底就结束了。(www.xing528.com)

在战争结束后的1919年,共有两个团队对当年5月29日发生的日食进行观测。格林尼治(Greenwich)天文台的克罗姆林(Andrew Crommelin,1865—1939)所带领的观测团队到巴西的索布拉尔(Sobral),而爱丁顿则领队到位于非洲几内亚海岸外的普林西比岛(island of Príncipe)。这次的观测进行得很顺利,而观测数据分析的结果符合了爱因斯坦广义相对论的预测。

观测的结果于1919年11月6日在英国皇家哲学学会(Royal Philosophical Society)和皇家天文学会的伦敦联合会议上向全世界公布,皇家天文学家戴森(Frank Watson Dyson,1868—1939)总结说:“经过仔细研究拍摄的底片,我正式宣布,结果证实了爱因斯坦的预言。一个非常明确的结果显示了光线的偏折,符合爱因斯坦引力理论的推论。”就在第一次世界大战结束一周年的前夕,德国科学家爱因斯坦延续了英国科学家牛顿的光环,而爱因斯坦也因此迅速地提升至世界名人的地位。

对于1919年观测的结果曾经有一些不同的意见,有人认为,爱丁顿团队拍摄的质量并不好,而且他似乎并不公正地忽略在巴西观测中比较接近牛顿理论的数据。这个质疑持续很久,直到1979年用更先进的技术和设备重新分析当年观测的数据,才再一次验证了爱丁顿的结论。

关于爱丁顿有一个有趣的故事。物理学家席尔伯斯坦(Ludwik Silberstein,1872—1948)自认为是相对论的专家,曾经向爱丁顿说他是全世界真正知道广义相对论的三个人之一。当时爱丁顿迟疑了一下,席尔伯斯坦坚持要爱丁顿不必不好意思承认,这时他回答说:“哦,不!我只是在想第三个人可能是谁!”

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