Frontiers for Young Minds期刊網(wǎng)站上線的一篇最新文章，題為The Solar Eclipse That Validated Einstein’s Theory of Relativity（驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的日食觀測(cè)）。文章介紹了科學(xué)史上最重要的里程碑之一，它增進(jìn)了現(xiàn)代人類對(duì)宇宙的理解。
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在1915年完成了他的廣義相對(duì)論。這一理論改變了我們對(duì)艾薩克·牛頓所創(chuàng)立的空間、時(shí)間和引力概念的認(rèn)識(shí)。廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)出，由于太陽(yáng)的引力以及空間和時(shí)間的性質(zhì)，從遙遠(yuǎn)的恒星射向我們的光線在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲。對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行的天文觀測(cè)證實(shí)了這個(gè)預(yù)言。這個(gè)結(jié)果發(fā)表后，在科學(xué)界和公眾中引起了極大的轟動(dòng)，愛(ài)因斯坦在一夜之間成為了超級(jí)巨星。
本文作者Hanoch Gutfreund，還對(duì)一份獨(dú)一無(wú)二的愛(ài)因斯坦手稿的重要性給出了令人振奮的見(jiàn)解。這份手稿于2021年11月被拍賣，其中展示了愛(ài)因斯坦和他的終身好友米歇爾·貝索是如何一起研究愛(ài)因斯坦于1913年發(fā)表的一個(gè)初步理論的結(jié)果的。他們的工作成果幫助愛(ài)因斯坦在2年后完成了他的廣義相對(duì)論。
作者 Hanoch Gutfreund
翻譯 趙金瑜
審校 D
一個(gè)戲劇性的公告
1919年11月7日，英國(guó)《倫敦時(shí)報(bào)》發(fā)表了一篇震驚全世界的新聞文章，標(biāo)題為“科學(xué)的革命——新的宇宙理論——牛頓的觀點(diǎn)被駁倒”。這篇文章報(bào)道了同年早些時(shí)候兩支探險(xiǎn)隊(duì)進(jìn)行的天文觀測(cè)結(jié)果，一支位于非洲西海岸附近的普林西比島，另一支位于巴西的索布拉爾市。這兩個(gè)地方，可以在同一天觀察到同一場(chǎng)日全食。這些觀測(cè)意在檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)之一。愛(ài)因斯坦聲稱，來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的光線會(huì)在它們經(jīng)過(guò)太陽(yáng)前往地球的途中彎曲。
對(duì)彎曲光線的觀察是如何支持愛(ài)因斯坦的理論，并改變?nèi)藗儗?duì)空間、時(shí)間和引力的認(rèn)識(shí)呢？讓我們先來(lái)介紹一些背景。
1905年是猶太裔德國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦科學(xué)生涯中最富有成效的一年。在這一年，他提出了狹義相對(duì)論。這個(gè)理論基于兩個(gè)假設(shè)：
首先，該理論僅適用于以相對(duì)恒定速度運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：一個(gè)人坐在一節(jié)火車車廂里。車窗被遮住了，車廂內(nèi)也聽(tīng)不到車輪在軌道上的行駛聲音。如果火車勻速行駛，則車上的人無(wú)法通過(guò)任何實(shí)驗(yàn)來(lái)確定火車的速度，或者判斷它相對(duì)站臺(tái)是在移動(dòng)還是靜止。
第二個(gè)假設(shè)則是，光的傳播過(guò)程與其他物體的運(yùn)動(dòng)行為是不同的。光速始終是恒定的——它不依賴于光源的速度或觀察者的速度。例如，當(dāng)我開(kāi)車在路上行駛，被問(wèn)到我旁邊的車有多快時(shí)，答案取決于我的車速。如果鄰車車速與我的車速相同，那么它相對(duì)于我的車似乎是靜止的。但是，如果我開(kāi)得慢一點(diǎn)，另一輛車看起來(lái)就會(huì)比我快，并逐漸跑在我的前面。愛(ài)因斯坦的深刻見(jiàn)解是，光的行為與此不同——光的速度與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及發(fā)光光源的速度無(wú)關(guān)。
這聽(tīng)起來(lái)是不是很奇怪？還有更奇怪的！根據(jù)這兩個(gè)假設(shè)，如果兩個(gè)處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的人測(cè)量同一個(gè)物體的長(zhǎng)度，他們會(huì)得到不同的結(jié)果！此外，如果他們測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔，他們?cè)跍y(cè)量結(jié)果上也不會(huì)達(dá)成一致；他們甚至可能在哪個(gè)事件更先發(fā)生上產(chǎn)生分歧。距離、時(shí)間和事件的同時(shí)性的測(cè)量是相對(duì)的，這意味著測(cè)量結(jié)果取決于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論中的距離和時(shí)間概念，與英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家艾薩克·牛頓提出的世界觀大相徑庭。根據(jù)牛頓的理論，空間和時(shí)間是獨(dú)立且絕對(duì)的——時(shí)間和空間距離的測(cè)量結(jié)果與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。
狹義相對(duì)論的著名結(jié)論之一是，質(zhì)量和能量是相互等價(jià)的——最著名的科學(xué)公式=便代表了這個(gè)結(jié)論。其中，代表能量，代表質(zhì)量，而是光速。根據(jù)這個(gè)公式，少量的質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為大量的能量。在提供核能的反應(yīng)堆中，這個(gè)過(guò)程以一種可控的方式發(fā)生。在原子彈中，它則以不受控的方式發(fā)生、造成災(zāi)難性的爆炸。在太陽(yáng)的核心，四個(gè)氫原子核在一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程中融合在一起，成為氦原子核。一個(gè)氦核的質(zhì)量比四個(gè)氫核的質(zhì)量略小一些。融合過(guò)程中所損失的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量，便成為了太陽(yáng)的能量來(lái)源，進(jìn)而也是地球上生命的來(lái)源。
廣義相對(duì)論
狹義相對(duì)論有兩個(gè)主要的局限性：第一，該理論只涉及勻速運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)；它沒(méi)有考慮加速運(yùn)動(dòng)——即速度有所加減的運(yùn)動(dòng)，或者像旋轉(zhuǎn)木馬一樣改變方向的運(yùn)動(dòng)。第二，狹義相對(duì)論沒(méi)有考慮萬(wàn)有引力，也就是使月球在圍繞地球的固定軌道上、使行星在圍繞太陽(yáng)的軌道上平穩(wěn)運(yùn)行的向心力。
在完成了狹義相對(duì)論之后，愛(ài)因斯坦開(kāi)始尋找一種能夠擺脫這兩個(gè)限制的理論。經(jīng)過(guò)10年的探索，他最終提出了廣義相對(duì)論。這一理論的主要思想是，引力——即兩個(gè)物體之間的吸引力——并不如牛頓理論中所述的力，而是空間自身的特征，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，是空間和時(shí)間的特征。在愛(ài)因斯坦的新理論中，空間和時(shí)間被合并為“時(shí)空”。在牛頓的理論中，空間和時(shí)間是所有物理過(guò)程發(fā)生的“舞臺(tái)”。而在愛(ài)因斯坦的理論中，空間和時(shí)間會(huì)參與這些物理過(guò)程，并受其影響。根據(jù)愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)，宇宙中具有較大質(zhì)量的物體，如行星和恒星，會(huì)使它們周圍的時(shí)空發(fā)生彎曲。這意味著，在宇宙中運(yùn)動(dòng)的物體和光線是在彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的。這個(gè)概念很難用容易理解的方式來(lái)解釋。即使是專門研究這種現(xiàn)象的物理學(xué)家，也可能難以想象出彎曲的時(shí)空。這些概念最好用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述，使用數(shù)學(xué)家早在19世紀(jì)就開(kāi)發(fā)出的方法。利用這些方法，愛(ài)因斯坦在1915年發(fā)現(xiàn)了描述質(zhì)量對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)影響的方程，以及由此影響而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)方程。這些方程是愛(ài)因斯坦最偉大的成就，是我們徹底了解宇宙——它是如何開(kāi)始的、如何發(fā)展的、以及它的結(jié)構(gòu)是什么——的基礎(chǔ)。
對(duì)一次日食的觀測(cè)驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦的理論
當(dāng)愛(ài)因斯坦剛開(kāi)始發(fā)展他的廣義相對(duì)論時(shí)，就已經(jīng)知道，光束在太陽(yáng)附近會(huì)被彎曲。甚至在他得出最終的理論之前，愛(ài)因斯坦就曾計(jì)算了這些光束的彎曲程度，但他得到的結(jié)果比正確的數(shù)值小一倍（盡管當(dāng)時(shí)他并不知道）。1913年，愛(ài)因斯坦致信天文學(xué)家喬治·黑爾，后者是全美最大的天文臺(tái)威爾遜山天文臺(tái)的主任。愛(ài)因斯坦詢問(wèn)黑爾是否有辦法在白天觀察太陽(yáng)附近的星星。黑爾回答說(shuō)，觀察這些星星的唯一機(jī)會(huì)是在日全食期間。
你可能不明白為什么驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的理論需要一場(chǎng)日食。我們首先要意識(shí)到，要想看到太陽(yáng)引力對(duì)來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的光線的影響，太陽(yáng)必須位于我們和要觀測(cè)的恒星之間——也就是說(shuō)，觀測(cè)只能在白天進(jìn)行。但是通常情況下，在白天是不可能看到星星的，因?yàn)樘?yáng)太亮了！但是，在日食期間，天空一片漆黑，那些星星就可以被看到了。之所以會(huì)發(fā)生日食，是因?yàn)樵虑蚶@地球運(yùn)行的軌道平面相對(duì)于地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道平面是傾斜的（譯者注：傾斜4.99-5.30 ）。有時(shí)，地球、月球和太陽(yáng)相交的路徑會(huì)形成一條直線。在這種情況下，月球會(huì)遮住太陽(yáng)，導(dǎo)致日食。不過(guò)月球太小，無(wú)法在整個(gè)地球上投下陰影，因此地球上有些地區(qū)會(huì)發(fā)生日全食，而在其他地區(qū)則只有日偏食。
愛(ài)因斯坦推斷，如果天文學(xué)家比較日食期間（太陽(yáng)在地球和恒星之間）拍攝的恒星照片與夜間（太陽(yáng)不在地球和恒星之間）拍攝的相同恒星的照片，恒星出現(xiàn)的位置應(yīng)該看上去有所偏移。如果兩張照片中恒星的位置不同，就意味著太陽(yáng)的引力場(chǎng)使得從這些恒星發(fā)出的光線發(fā)生了彎曲（圖1）。
圖1：當(dāng)來(lái)自遙遠(yuǎn)的恒星的光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的引力場(chǎng)時(shí)，光線會(huì)發(fā)生彎曲。地球上的觀察者則會(huì)看到，當(dāng)太陽(yáng)在恒星光線的路徑上時(shí)，與太陽(yáng)不在光線的路徑上相比，恒星的位置會(huì)發(fā)生偏移。
1914年8月21日，一支德國(guó)天文探險(xiǎn)隊(duì)計(jì)劃在俄羅斯克里米亞地區(qū)的日全食期間進(jìn)行觀測(cè)。但隨后第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，探險(xiǎn)隊(duì)被俘，裝備也慘遭沒(méi)收。
在1919年5月29日，研究人員終于獲得了另一次機(jī)會(huì)（圖2）。那時(shí)，愛(ài)因斯坦已經(jīng)完成了廣義相對(duì)論的創(chuàng)建，并據(jù)此預(yù)測(cè)出，最終的光線彎曲程度比他之前假設(shè)的結(jié)果大一倍。如前所述，這些觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于索布拉爾和普林西比兩個(gè)地方。在利用當(dāng)時(shí)僅有的資源對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了幾個(gè)月的分析（這不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)）之后，探險(xiǎn)隊(duì)的負(fù)責(zé)人阿瑟·愛(ài)丁頓和查爾斯·戴維森，以及皇家天文學(xué)家弗蘭克·戴森爵士宣布：“索布拉爾和普林西比的觀測(cè)結(jié)果幾乎毫無(wú)疑問(wèn)地表明，太陽(yáng)的確能夠彎曲周圍的光線，而且其曲率與愛(ài)因斯坦的相對(duì)論所給出的結(jié)果一致”。廣義相對(duì)論的這項(xiàng)預(yù)測(cè)，被兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的地點(diǎn)的獨(dú)立測(cè)量所證實(shí)，極大程度地說(shuō)服了科學(xué)界相信這個(gè)理論的正確性。
圖2：1919年的日食和它周圍的星星。將這張照片中看到的星星的位置與太陽(yáng)在天空中不同位置時(shí)拍攝的照片進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)這種手段，研究人員發(fā)現(xiàn)，星星的位置似乎發(fā)生了變化。這種現(xiàn)象的原因是太陽(yáng)引力使恒星的光線發(fā)生了彎曲，如圖1所示。
愛(ài)因斯坦的理論帶來(lái)的影響
1919年的日食觀測(cè)意義非凡。它不僅證實(shí)了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，而且還幫助科學(xué)家了解到一種很有價(jià)值的天文現(xiàn)象，即引力透鏡效應(yīng)，它可以幫助科學(xué)家們研究宇宙。光在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，其彎曲程度非常小。但質(zhì)量大得多的物體，如黑洞甚至整個(gè)星系，會(huì)造成更強(qiáng)烈的彎曲，以至于我們可以利用望遠(yuǎn)鏡看到這些大質(zhì)量天體背后的光源。愛(ài)因斯坦早在1912年就注意到了引力透鏡的可能性，但他直到24年后才發(fā)表了他的想法和相關(guān)計(jì)算。
這篇報(bào)道英國(guó)探險(xiǎn)隊(duì)成功消息的文章，在科學(xué)界激起了很大的興奮。它也引發(fā)了公眾的熱情，這種情緒也因時(shí)代特殊而被放大了：第一次世界大戰(zhàn)奪去了數(shù)百萬(wàn)受害者的生命、并造成了嚴(yán)重的破壞，而這篇文章恰恰發(fā)表于戰(zhàn)爭(zhēng)剛剛落幕的幾年后。這篇文章提醒人們關(guān)注人類大腦的智慧，并展示了科學(xué)領(lǐng)域是可以進(jìn)行國(guó)際合作的。這喚起了新的希望。公眾對(duì)愛(ài)因斯坦的興趣和欽佩之情高漲，他在一夜之間成為了超級(jí)巨星。直到生命的最后一刻，愛(ài)因斯坦一直坐擁這樣崇高的地位，在今天仍然廣為人知、受人尊敬。
物理術(shù)語(yǔ)解釋
日食：當(dāng)月球直接位于太陽(yáng)和地球之間，使月球在地球的一部分投下陰影時(shí)發(fā)生的一種現(xiàn)象。
萬(wàn)有引力：自然界的基本作用力之一。這是一種作用在物體之間的吸引力，受物體的質(zhì)量和物體之間的距離的影響。
狹義相對(duì)論：一個(gè)由愛(ài)因斯坦創(chuàng)建的理論，發(fā)表于1905年，提出了空間和時(shí)間測(cè)量相對(duì)性的觀念。
廣義相對(duì)論：愛(ài)因斯坦于1915年發(fā)表的理論，是狹義相對(duì)論的推廣，用于處理考慮引力的變速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
引力透鏡：大質(zhì)量天體的引力會(huì)使位于其后的光源發(fā)出的光線變彎，從而使我們的望遠(yuǎn)鏡可以看到它們。
翻譯對(duì)照表：
《倫敦時(shí)報(bào)》 London Times
普林西比島 Principe island
索布拉爾市 Sobral
喬治·黑爾 George Hale
克里米亞地區(qū) Crimea
阿瑟·愛(ài)丁頓 Arthur Edington
查爾斯·戴維森 Charles Davidson
弗蘭克·戴森 Frank Dyson
米歇爾·貝索 Michele Besso
希伯來(lái)大學(xué) Hebrew University
制版 | 小圭月
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來(lái)源：賽先生
編輯：just_iu
