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100年前的一次日食证明了爱因斯坦是对的,而牛顿是错的

老胡说科学 2019-07-29 15:59:12
导读:
100年前的一次日食证明了爱因斯坦是对的,而牛顿是错的

  • 在日全食期间不仅可以看到太阳的日冕,而且在适当的条件下,恒星也可以在很远的距离内看到。通过正确的观察,人们可以测试爱因斯坦广义相对论对牛顿引力预测的有效性。1919年5月29日的日全食现在已经整整100年了,也许是人类科学史上最伟大的进步。

1919年5月29日,世界永远改变了。数百年来,艾萨克·牛顿的万有引力理论 - 万有引力定律 - 没有受到挑战,因为它的预测符合以往所做的每一次观察或测量。但是牛顿对水星轨道的预测与天文学家在19世纪中期所看到的情况之间的不匹配,以及科学家们都在努力解释它。

毕竟,也许我们需要修改万有引力定律。当狭义相对论出现时,有证据证明没有绝对距离这样的东西。牛顿的理论预测了瞬间的力量,再次违反了相对论。1915年,阿尔伯特·爱因斯坦提出了一种新的引力替代理论:广义相对论。对牛顿理论进行测试的方法是等待日全食。100年前的今天,爱因斯坦被证明是正确的。这是如何做。

100年前的一次日食证明了爱因斯坦是对的,而牛顿是错的

  • ?像日全食这样的事件可以提供对爱因斯坦相对论的独特测试,因为遥远的天文物体的光路将在它们经过太阳附近时被偏转,但是由于天空的黑暗,天空观测者仍然可以看到它们。太阳被封锁了。这种方法于1919年5月29日被采用,以提供对爱因斯坦广义相对论的首次证实。

今天,阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论可以说是有史以来最成功的理论。它解释了从GPS信号到引力红移,从引力透镜到合并黑洞,以及从脉冲星的时间到水星轨道的所有内容。广义相对论的预测从未失败过。

当这个理论于1915年首次引入时,它试图取代牛顿的万有引力。虽然它可以重现牛顿早期的成功并解释水星的轨道(牛顿不可能),但最关键的测试将是一种新的预测形式,与普遍万有引力定律的预测有很大不同。日全食将提供一个独特而直接的机会。

  • ?对于航天器或其他天文台所做的任何观测,必须考虑太空系统中行星和太阳引起的空间曲率。广义相对论的影响,甚至是微妙的影响,在从太空探索到GPS卫星到在太阳附近经过的光信号等应用中都不容忽视。

在牛顿的引力中,任何具有质量的物质都会吸引其他任何物质。即使光是无质量的,它也有能量,因此你可以通过爱因斯坦的E = mc^2为它分配有效质量。(您会发现 m = E / c ^2。)如果您允许光子在大质量附近通过,您可以使用此有效质量来预测星光应该弯曲多少,并获得特定值。在太阳的四肢附近,它只有1英寸(弧秒),或1°的1/3600。

但是在爱因斯坦的广义相对论中,空间和时间都被质量的存在所扭曲,而在牛顿的引力中,只有物体通过空间的运动受到引力的影响。这意味着爱因斯坦的理论预测一个额外因子为2(实际上稍微多一点,特别是当你接近质量时),相对于牛顿,或者太阳附近的偏差接近2“。

  • ?引力透镜的一个例子展示了背景星系 - 或任何光路 - 如何通过介入质量的存在而扭曲,但它也显示了空间本身如何因前景质量本身的存在而弯曲和扭曲。在爱因斯坦提出他的广义相对论之前,他明白这种弯曲必定会发生,尽管许多人在1919年的日食确认他的预测之前(甚至之后)仍持怀疑态度。由于广义相对论中空间和时间都受到质量的影响,爱因斯坦和牛顿对应该发生的弯曲量的预测存在显着差异。

爱因斯坦的广义相对论如何形成的历史是令人着迷的,因为只有这样一个事实,牛顿的引力最终会产生问题,促使爱因斯坦制定他的新概念。

1687年提出的牛顿引力是一个非常简单的定律:将任何质量放在宇宙中的任何地方,相隔固定的距离,你立即知道它们之间的引力。这解释了从炮弹的地球运动到彗星,行星和恒星的天体运动的一切。200年后,它已经通过了每一次测试。但是,一个令人讨厌的观察结果可能会破坏一切:太阳系中最内层行星的详细运动。

  • ?在通过检查天王星的轨道异常发现海王星后,科学家Urbain Le Verrier将注意力转向了水星的轨道异常。他提出了一个内部行星,瓦肯人,作为解释。尽管Vulcan不存在,但Le Verrier的计算却帮助爱因斯坦找到了最终的解决方案:广义相对论。

每个行星围绕太阳以椭圆运动。但是,这个椭圆不是静态的,每个轨道返回到空间中的同一个固定点,而是进入。岁差就像看着椭圆随着时间的推移在空间中旋转,虽然非常缓慢。自从Tycho Brahe在16世纪后期以来,人们已经以令人难以置信的精度观测到了水星,因此,凭借300年的数据,我们的测量非常出色。

根据牛顿的理论,由于地球昼夜平分点的进动以及所有行星对水星轨道的引力作用,它的轨道应该在5,557“世纪之前进行。但是在观测上,我们观察到了5,600” - 世纪。这个差异,相当于43“ - 每世纪(或仅仅0.00012° - 年),在牛顿的框架中没有任何解释。要么水星有一个额外的行星内部(观察结果被排除在外),或者我们的旧的引力理论。

  • ?根据两种不同的引力理论,当减去其他行星和地球运动的影响时,牛顿的预测是针对一个红色(闭合)椭圆,与爱因斯坦对水星轨道的蓝色(进动)椭圆的预测背道而驰。

但爱因斯坦的新理论可以解释这种不匹配。他花了数年时间开发了广义相对论的框架,其中引力不是由吸引其他群众的群众引起的,而是由物质和能量引起的,弯曲了所有物体然后穿过的空间结构。当引力场较弱时,牛顿定律与爱因斯坦理论所规定的非常接近。

然而,接近非常大的质量或高速,爱因斯坦的预测与牛顿的预测不同,恰好预测了43个世纪的差异。但推翻科学理论的标准要高于此。要取代旧的理论,新的必须做以下事情:

  1. 重现旧理论所享有的所有成功(否则,旧理论在某种程度上仍然优越),
  2. 在旧理论所不能的政权中取得成功(否则,你的新理论不能解决旧理论的问题),
  3. 并且做出一个新的预测,你可以出去测试,区分新旧想法(否则,你没有任何科学的预测能力)。

最后一块是日食的来源。

  • ?在全日食期间,由于来自中间物质的光线弯曲,恒星似乎处于与其实际位置不同的位置:太阳。偏转的大小将由光线通过的空间位置处的重力效应的强度决定。

当星星出现在夜空中时,星光从银河系中的不同位置传播到我们的眼睛,距离我们很远的光年。如果牛顿是正确的,那么光应该以完全直线行进,不会被它靠近的任何质量(因为光是无质量的)所反射,或者它应该由于质量能量等效的引力效应而弯曲。(毕竟,如果E = mc 2,那么也许你可以将光处理为有效质量m = E / c 2。)

但爱因斯坦的理论,特别是如果光线非常接近大质量,则提供了与这两个数字不同的预测。额外因子2(或者更确切地说,2和额外的几个百万分之一)是爱因斯坦理论中独特且非常具体的预测,并且可以通过在一年中的不同时间进行两次观察来测试。

  • ?虽然有人可能会认为牛顿引力要么预测由于力定律而没有特定量的偏转或偏转而且E = mc ^ 2,爱因斯坦的预测是明确的并且与它们两者都不同。

我们靠近地球的最大质量是太阳,它通常使白天看不到星光。根据爱因斯坦的说法,当太阳光在太阳的边缘附近经过时,它应该沿着那个弯曲的空间行进,导致光路看起来弯曲。然而,在日全食期间,月亮在太阳面前经过,阻挡了它的光线并使天空变得像夜晚一样黑暗,使白天能够看到星星。

如果你之前测量到的那些恒星位置达到了足够精确的精确度,那么你可以看到它们是否已经移位 - 以及由于存在大量的附近质量而移动了多少。如果你能在亚弧秒级检测出一个偏转位置,你可以明确地知道牛顿,爱因斯坦或者两者都没有预测是正确的。

  • ?在1900年日全食期间发现了一个早期的恒星摄影板(圆圈)。虽然不仅可以识别太阳的日冕而且可以识别恒星,但恒星位置的精确度不足以测试预测。广义相对论。

在日全食期间,太阳的摄影板不仅揭示了太阳日冕的细节,还揭示了白天恒星的存在和位置。然而,预先存在的照片都没有足够高的质量来确定附近恒星的偏转位置以达到必要的精度; 星光的偏转是一个非常小的效果,需要非常精确的测量来检测!

在1915年爱因斯坦提出他的广义相对论之后,有一些机会来测试它:1916年,第一次世界大战干涉,1918年,试图观察被云打败,1919年,这是第一次成功的测试发生。亚瑟·爱丁顿策划了一次探险,其中包括两支队伍,一支在巴西,另一支在非洲,在20世纪最长的日食之一拍摄和测量这些恒星位置:持续时间近7分钟。

  • ?1919年Eddington Expedition的实际负片和正照片,显示(用线条)所识别的恒星的位置,用于测量由于太阳存在而导致的光偏转。这是对爱因斯坦广义相对论的第一次直接的实验证实。

这些观察结果令人信服且深刻:爱因斯坦的理论是正确的,而牛顿在面对太阳的星光弯曲时崩溃了。虽然数据和分析存在争议,但是许多被告(有些人还指责)Arthur Eddington“烹饪书籍”得到的结果证实了爱因斯坦的预测,后来的日食明确表明广义相对论在牛顿的引力不起作用。

此外,对爱丁顿的工作进行仔细的再分析表明,事实上它足以证实广义相对论的预测。世界各地报纸的特点大肆宣扬这一巨大的成功,甚至一个世纪之后,一些世界上最优秀的科学作家仍在出版关于这一卓越成就的精彩书籍。

  • 来自纽约时报(左)和伦敦新闻画报(标题)的标题不仅显示了报道质量和深度的差异,而且显示了两个不同国家的记者在这种令人难以置信的科学方面所表达的兴奋程度。突破。事实上,根据爱因斯坦所预测的数量,光被发现在质量附近弯曲。

昨天,即2019年5月29日,标志着当天诞生100周年,此次活动以及将爱因斯坦的广义相对论验证为人类关于引力如何运作的领先理论的探险。牛顿定律仍然非常有用,但仅作为爱因斯坦理论的近似,其有效范围有限。

与此同时,广义相对论已经成功地预测了从拖曳到引力波的所有事物,并且仍然没有遇到与其预测相冲突的观察。今天标志着整个世纪的广义相对论的有效性,甚至没有暗示它有朝一日会如何分解。虽然我们当然不了解宇宙的一切,包括量子引力实际上可能是什么样的,今天是庆祝我们所知道的一天。在我们的第一次关键测试100年后,我们最好的引力理论仍然没有显示放缓的迹象。

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