上次說到第一次世界大戰(zhàn)把可以證明相對論的機會白白的給浪費掉了。 好幾位天文學(xué)家都忙著去世界各地觀察日全食,他們選了好幾個觀測地點。一個在美國加州,一個在南美,還有一個在俄國。他們沒有預(yù)料到戰(zhàn)爭一觸即發(fā),去了俄國的那批人剛到,幾個國家就相互宣戰(zhàn)了。 俄國人一看這幫家伙帶著稀奇奇古怪的觀測儀器,有的還長槍短炮的都扛上了,還有照相底片,再看每個人都顯得賊眉鼠眼,說不定是敵方派來的特務(wù),先關(guān)起來再說!于是去俄國的那一支遠(yuǎn)征隊就被關(guān)了起來。 另外兩支遠(yuǎn)征隊運氣也不咋地,南美那邊兒天氣不好,日食當(dāng)口,滿天烏云。這樣就只剩下美國加州那邊的或許還有點希望。結(jié)果老天爺依舊不給力,緊要關(guān)頭,一片云彩偏偏把太陽遮住了,日食一結(jié)束,云開霧散,晴空萬里。 第一次嘗試證明相對論的努力就此宣告結(jié)束。 咱們再來說相對論,水星進(jìn)動的問題是解決了,可是廣義相對論要求時空是可以彎曲的,一切物體都要沿著時空中的測地線(測地線實際上就是三維曲面上兩點間的最短連線)走,這一切物體,其中當(dāng)然就包括了光。 比如說,如果有一個大質(zhì)量的星球,那么遠(yuǎn)方的天體發(fā)出的光經(jīng)過這個星球附近的時候,就可能發(fā)生偏折。這件事在牛頓力學(xué)里可是想都別想,人們一直都認(rèn)為光在真空中永遠(yuǎn)走直線。不過如果我們把牛頓引力公式和狹義相對論放在一起,其實也可以預(yù)言光線的彎曲。狹義相對論的質(zhì)能方程說質(zhì)量就是能量,那也可以說能量就是質(zhì)量。 E=MC^2,光沒有靜止質(zhì)量,但是可以有能量。 如果我們強行用光子的能量除以c2,也會得到一個光子的“運動質(zhì)量”,就是光子的動量,光子這個時候就好像是一個有質(zhì)量的物體一樣。有了質(zhì)量,就可以被吸引,牛頓引力理論就足以讓光偏轉(zhuǎn)了。那還要廣義相對論干啥呢? 愛因斯坦就是如此幸運,廣義相對論預(yù)言的光線偏轉(zhuǎn),是“牛頓引力+狹義相對論”預(yù)言結(jié)果的兩倍!到這里,我們得出了三個結(jié)論: 牛頓力學(xué):光永遠(yuǎn)走直線 牛頓引力公式+狹義相對論:光線會被偏轉(zhuǎn),但偏轉(zhuǎn)的程度較小 廣義相對論:光線會被偏轉(zhuǎn),而且偏轉(zhuǎn)的程度較大 現(xiàn)在只差一個觀測驗證??墒堑侥睦镎夷茏尮饩€明顯偏轉(zhuǎn)的大質(zhì)量的天體呢?月亮倒是經(jīng)常跟星星在一起,但是月亮的引力不足以偏轉(zhuǎn)星光,效應(yīng)根本看不出來,別的大質(zhì)量天體都距離我們太遠(yuǎn)。當(dāng)時的天文學(xué)家唯一能指望的就是太陽了。 這個思路好是好,可問題在于太陽太亮,周圍的星光都被太陽給掩蓋住了。但是天文學(xué)家們想到一個極端的情況——日全食。日全食的時候,月亮?xí)臀覀儞踝√柟?,使得我們能看見太陽周圍的星光。那如果我們事先算一算這個時候有哪些星星應(yīng)該在太陽背后,你本來應(yīng)該看不見,結(jié)果卻在太陽周圍看見它們了,這不就說明太陽彎曲了星光的路線嗎? 愛因斯坦1916年計算出光線彎曲的正確結(jié)果,然后1919年5月29日,就有一次日全食。那時候第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束,亂糟糟的社會總算可以安穩(wěn)下來了。德國戰(zhàn)敗,1919年,各國首腦在法國凡爾賽宮舉行巴黎和會,討論戰(zhàn)后處置的問題,美國總統(tǒng)、法國總理、英國首相,各自帶著地理學(xué)家開始重新劃分歐洲的版圖。德國在山東的權(quán)益給了日本,直接導(dǎo)致中國國內(nèi)爆發(fā)五四運動。 這一年,對愛因斯坦也是至關(guān)重要的一年。這是一次驗證愛因斯坦的廣義相對論的絕佳機會。上次去俄國的那隊人馬被戰(zhàn)爭給攪黃了,另外的隊伍也沒看到老天爺?shù)暮媚樕@一次可千萬不能再錯過了! 英國著名的天文學(xué)家、物理學(xué)家愛丁頓開始組織遠(yuǎn)征隊到非洲和巴西去觀測日全食。 愛丁頓爭取到這次機會也相當(dāng)不容易,首先說英國沒有多余的經(jīng)費,再說英國民眾也不愿意,英國跟德國剛剛打了一仗,不知道多少人死在了德國人手里,這事兒沒那么容易解決。 況且英國和德國科學(xué)界一直關(guān)系不怎么樣,這是老祖宗牛頓和萊布尼茨當(dāng)年結(jié)下的梁子,愛丁頓居然要證明英國偉大的牛爵爺錯了,你還想不想在英國待著了?但是,科學(xué)是沒有國界的,真理是不分國籍的。 就這樣,愛丁頓忙前忙后,組織大隊人馬就去了非洲的普林西比,同時另外一支遠(yuǎn)征隊去了南美的巴西。 1919年的這一次日食的時間長達(dá)六分多鐘,這老天爺可是給足了面子,兩個遠(yuǎn)征隊都拍攝了不少照片??墒钦掌治龅倪^程卻很漫長,好幾個月都沒結(jié)論。 到了1919年11月6日,英國皇家學(xué)會和皇家天文學(xué)會舉行聯(lián)合會議,正式宣布了愛丁頓的觀測結(jié)果及結(jié)論。會議由電子的發(fā)現(xiàn)者、皇家學(xué)會主席、著名實驗物理學(xué)家湯姆遜主持。 在巨幅的牛頓畫像前,非洲觀測隊的領(lǐng)隊戴森報告了觀測結(jié)果,在仔細(xì)研究了照相底片之后,他認(rèn)為這些底片毫無疑問地證實了愛因斯坦的預(yù)言,愛丁頓的團隊真的看到了原本不該出現(xiàn)在太陽周圍的幾顆星。 最后的測量結(jié)果與牛頓引力理論計算的結(jié)果偏離較大,愛因斯坦的理論符合的較好,因此愛因斯坦的廣義相對論勝出。 第二天一早,各大報紙的頭條消息便引爆了公眾輿論。英國泰晤士報的報道用了個通欄標(biāo)題《科學(xué)革命 —— 關(guān)于宇宙的新理論 —— 牛頓思想被推翻》愛因斯坦一夜成名。 現(xiàn)在回頭看廣義相對論被世界接受的這段歷史,我們不能不承認(rèn),愛因斯坦的運氣實在是太好了。首先是1919年這次日全食,愛因斯坦的計算結(jié)果剛出來三年,就趕上了日全食。要知道,下一次有日全食得等到1937年6月8日。如果愛因斯坦動作稍慢一點,或者愛丁頓未能促成這次觀測,相對論搞不好就得再等上足足18年才能被人接受。 而據(jù)考證,這一次日全食發(fā)生的時候,太陽周圍正好是畢宿星團的星星,這個星團特別亮!等到下一次,還不知道有沒有這么強的星光讓天文學(xué)家們測呢。 更巧的是,愛丁頓選擇的這兩個觀測地點,在日食發(fā)生前后都是下雨的天氣。巴西那個地方在日食當(dāng)天早上還是多云,可是在日食發(fā)生前一分鐘,天空中太陽那個位置的云居然散開了。非洲那個地方也有云,也是恰好在日食期間讓太陽露出來一小會兒。 不論如何,愛因斯坦配得上所有這些幸運和榮譽。但是,愛因斯坦最大的幸運,是他生在了那個時代的歐洲。 天文學(xué)家之所以能在1856年(大清咸豐六年)發(fā)現(xiàn)水星運動,是使用了從1697年(大清康熙三十六年)到1848年一百五十年的水星活動記錄。這個發(fā)現(xiàn)相當(dāng)不容易,水星的軌道幾乎就是一個圓形,那些古代的天文學(xué)家首先得準(zhǔn)確的判斷出這個橢圓的長軸在哪里,然后還得記錄這個長軸的變化。 然后他們還能精確計算金星和地球引力對水星軌道的影響,最后得出一個非常非常小,但是無比堅定的,跟牛頓力學(xué)的差異。而且那時候可沒有什么計算機。 想想相對論的歷史,你肯定會感嘆“愛因斯坦不可能這么幸運!”現(xiàn)在廣義相對論既然被接受了,咱們下一次再聊愛因斯坦說的第三件事。 “科學(xué)大嘮嗑”是悅讀讀書會新增添的一個欄目,每周更新一次,作者是書友們所熟悉的“牧羊人”張喆老師。他曾組織過我們讀書會開展天文線下活動,也是《時間簡史》、《上帝擲骰子嗎?》的領(lǐng)讀者。對于天文愛好者,此欄目是一個相當(dāng)大的福利。對天文還未有過了解的書友們,這也是一次增長天文知識的機會。期待張老師下一次更新! |
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