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【科學(xué)大嘮嗑】愛因斯坦的幸運(yùn)(二)

 悅讀讀書 2020-08-04

科學(xué)大嘮嗑


張 喆

天津市天文學(xué)會(huì)會(huì)員

天津科技館科普輔導(dǎo)員


上次說到第一次世界大戰(zhàn)把可以證明相對(duì)論的機(jī)會(huì)白白的給浪費(fèi)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(gè)觀測地點(diǎn)。一個(gè)在美國加州,一個(gè)在南美,還有一個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)就被關(guān)了起來。

另外兩支遠(yuǎn)征隊(duì)運(yùn)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(diǎn)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(duì)論的努力就此宣告結(jié)束。

咱們?cè)賮碚f相對(duì)論,水星進(jìn)動(dòng)的問題是解決了,可是廣義相對(duì)論要求時(shí)空是可以彎曲的,一切物體都要沿著時(shí)空中的測地線(測地線實(shí)際上就是三維曲面上兩點(diǎn)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(gè)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(gè)星球附近的時(shí)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(duì)論放在一起,其實(shí)也可以預(yù)言光線的彎曲。狹義相對(duì)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(qiáng)行用光子的能量除以c2,也會(huì)得到一個(gè)光子的“運(yùn)動(dòng)質(zhì)量”,就是光子的動(dòng)量,光子這個(gè)時(shí)候就好像是一個(gè)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(duì)論干啥呢?

愛因斯坦就是如此幸運(yùn),廣義相對(duì)論預(yù)言的光線偏轉(zhuǎn),是“牛頓引力+狹義相對(duì)論”預(yù)言結(jié)果的兩倍!到這里,我們得出了三個(gè)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(duì)論:光線會(huì)被偏轉(zhuǎn),但偏轉(zhuǎn)的程度較小

廣義相對(duì)論:光線會(huì)被偏轉(zhuǎn),而且偏轉(zhuǎn)的程度較大



現(xiàn)在只差一個(gè)觀測驗(yàn)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(shí)的天文學(xué)家唯一能指望的就是太陽了。

這個(gè)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(gè)極端的情況——日全食。日全食的時(shí)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(gè)時(shí)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(jì)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(shí)候第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束,亂糟糟的社會(huì)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(huì),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(yùn)動(dòng)。

這一年,對(duì)愛因斯坦也是至關(guān)重要的一年。這是一次驗(yàn)證愛因斯坦的廣義相對(duì)論的絕佳機(jī)會(huì)。上次去俄國的那隊(duì)人馬被戰(zhàn)爭給攪黃了,另外的隊(duì)伍也沒看到老天爺?shù)暮媚樕?,這一次可千萬不能再錯(cuò)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(duì)到非洲和巴西去觀測日全食。

愛丁頓爭取到這次機(jī)會(huì)也相當(dāng)不容易,首先說英國沒有多余的經(jīng)費(fèi),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(cuò)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(duì)人馬就去了非洲的普林西比,同時(shí)另外一支遠(yuǎn)征隊(duì)去了南美的巴西。

1919年的這一次日食的時(shí)間長達(dá)六分多鐘,這老天爺可是給足了面子,兩個(gè)遠(yuǎn)征隊(duì)都拍攝了不少照片??墒钦掌治龅倪^程卻很漫長,好幾個(gè)月都沒結(jié)論。

到了1919年11月6日,英國皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)舉行聯(lián)合會(huì)議,正式宣布了愛丁頓的觀測結(jié)果及結(jié)論。會(huì)議由電子的發(fā)現(xiàn)者、皇家學(xué)會(huì)主席、著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家湯姆遜主持。

在巨幅的牛頓畫像前,非洲觀測隊(duì)的領(lǐng)隊(duì)戴森報(bào)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(shí)了愛因斯坦的預(yù)言,愛丁頓的團(tuán)隊(duì)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(jì)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(duì)論勝出。

第二天一早,各大報(bào)紙的頭條消息便引爆了公眾輿論。英國泰晤士報(bào)的報(bào)道用了個(gè)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(duì)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(yùn)氣實(shí)在是太好了。首先是1919年這次日全食,愛因斯坦的計(jì)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(dòng)作稍慢一點(diǎn),或者愛丁頓未能促成這次觀測,相對(duì)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(shí)候,太陽周圍正好是畢宿星團(tuán)的星星,這個(gè)星團(tuán)特別亮!等到下一次,還不知道有沒有這么強(qiáng)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(gè)觀測地點(diǎn),在日食發(fā)生前后都是下雨的天氣。巴西那個(gè)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(gè)位置的云居然散開了。非洲那個(gè)地方也有云,也是恰好在日食期間讓太陽露出來一小會(huì)兒。

不論如何,愛因斯坦配得上所有這些幸運(yùn)和榮譽(yù)。但是,愛因斯坦最大的幸運(yùn),是他生在了那個(gè)時(shí)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(yùn)動(dòng),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(dòng)記錄。這個(gè)發(fā)現(xiàn)相當(dāng)不容易,水星的軌道幾乎就是一個(gè)圓形,那些古代的天文學(xué)家首先得準(zhǔn)確的判斷出這個(gè)橢圓的長軸在哪里,然后還得記錄這個(gè)長軸的變化。

然后他們還能精確計(jì)算金星和地球引力對(duì)水星軌道的影響,最后得出一個(gè)非常非常小,但是無比堅(jiān)定的,跟牛頓力學(xué)的差異。而且那時(shí)候可沒有什么計(jì)算機(jī)。

想想相對(duì)論的歷史,你肯定會(huì)感嘆“愛因斯坦不可能這么幸運(yùn)!”現(xiàn)在廣義相對(duì)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(huì)新增添的一個(gè)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(huì)開展天文線下活動(dòng),也是《時(shí)間簡史》、《上帝擲骰子嗎?》的領(lǐng)讀者。對(duì)于天文愛好者,此欄目是一個(gè)相當(dāng)大的福利。對(duì)天文還未有過了解的書友們,這也是一次增長天文知識(shí)的機(jī)會(huì)。期待張老師下一次更新!



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