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100年前日全食实验,证实爱因斯坦相对论

2019-5-31 环球解密

一百年前的今天,在第一次世界大战之后,一位英国天文学家在一次观测日食的记录中,证明了爱因斯坦广义相对论中对宇宙中光线弯曲的论述,使爱因斯坦名扬天下,成为物理传说。

在相对论发表的当年,大胆的新理论思想与阿尔伯特‧爱因斯坦(Albert Einstein)画上等号,他的姓氏与天才同义。但他的名字并不总能给人产生这种感觉:人们怀疑他的理论是否现实。

1919年,英国天文学家亚瑟‧爱丁顿(Arthur Eddington)和他的研究小组开始寻找因大型物体重量造成光线弯曲的迹象,欲证明爱因斯坦的理论已经超过艾萨克‧牛顿(Isaac Newton)的经典力学。

根据牛顿力学理论,光没有质量,不会受到重力的影响,所以光线能够始终保持直线运动。虽然爱因斯坦广义相对论没有直接与牛顿理论相悖冲突,但爱因斯坦把引力描述为时空的一种几何属性(曲率)。爱丁顿因此假设,如果太阳的重力可以使光线弯曲,那么当从地球上观察太阳附近的星星时,也能发现它们的位置已略微不同。

1919年5月29日,爱丁顿和他的团队在西非海岸岛普林西比岛(Príncipe)上,观察了长时间的日食,成功拍摄了一些接近黑暗太阳的星星。同一时间,一些天文学家也在巴西的索布拉尔镇进行观测。

他们使用了可移动仪器记录毕宿星团(Hyades)的恒星,图像显示它形成了金牛座中公牛的脸。爱丁顿把这些观察结果和先前在夜间看到的星星位置进行比较,经过多次计算,科学家们计算出毕宿星团的星光在通过地球的路径上,经过太阳时确实发生了变化。当天在普林西比岛捕捉到的恒星位置验证了爱因斯坦的理论。

1919年的这一证明使爱因斯坦成为明星。在随后的几十年中,其它实验相继验证了爱因斯坦相对论的理论。

爱因斯坦想到了这种可能性:一个具有足够质量的物体的重力可以弯曲光线,而且结合数学方程式和实验能确定光线会以相同速度传播,这就是狭义相对论,即光速不变原理。

罗恩‧考恩(Ron Cowen)在他2019年新书《重力世纪》(Gravity’s Century)中写道,最明显的是,调查结果发现星光极大地变化,“距离两英里远处,相当于四分之一的角度。”

考恩认为,爱丁顿的宗教信仰贵格会(Quaker),加大了他对爱因斯坦大胆科学理论的支持。另一位作家和物理学家丹尼尔‧肯尼菲克(Daniel Kennefick)则推测,爱丁顿的世界观让他的科学假设成功。

英国王室天文学会主席迈克·克鲁斯(Mike Cruise)通过声明表示,“一个世纪以前,天文学家证实了广义相对论,使我们永远改变了对宇宙的认识。爱因斯坦和爱丁顿的成果是第一次世界大战后国际合作的一个惊人例子。”

日食

日食,每隔几年从地球上看,月亮总能够完全精确地遮挡整颗太阳,地球月球的位置和大小恰好与太阳的位置和大小重合。像火星一样的行星就没有这样的运气,例如:美国国家航空航天局(NASA)火星探测器好奇号(Curiosity)在2019年3月拍摄到的照片显示,火星的两颗自然卫星“火卫一”(Phobos)和“火卫二”(Deimos)分别在3月25日和3月17日发生日食,但是仅有部分遮蔽。

除了作为奇观之外,日食也是专家们进行各种研究,像是观察太阳日冕(太阳的外气层)、大自然调光反应的好时机。

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