看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?

2020-12-26 醬子聊科學

「親愛的媽媽,今天有好消息。洛倫茲今天發電報給我,說英國遠徵觀測隊證明了太陽會造成星光偏折。」愛因斯坦激動得像小孩得到了夢寐以求的那根棒棒糖一樣,向他的媽媽匯報了這個振奮人心的消息。

愛因斯坦

這一天,他等了整整四年。1915年,愛因斯坦的廣義相對論出來後,得到了一些人的支持,但是,還有很多的科學家對他的理論持質疑態度,而真正看得懂的更是非常之少。

愛因斯坦需要實驗來驗證廣義相對論的正確性。

廣義相對論預言了遙遠的星光經過太陽時,會被大質量的太陽彎曲,從而星光會偏折一丟丟,計算的結果是星光會偏折1.74弧秒(1弧秒=1/3600度)。

要驗證星光經過太陽時被彎曲的現象,這並不容易。因為星光相對太陽來說太微弱了,平時根本沒法觀測,只有一個機會是,當太陽全日食的時候,我們才容易觀測到太陽背後恆星的光線。

這個機會終於等來了,1919年5月29日會發生一次全日食。英國的科學家愛丁頓是愛因斯坦的鐵忠「粉絲」,他是英國皇家天文學會的秘書和貴格會的會員,他申請到了這次探測的任務。

他安排了兩波人,一波是自己親自帶隊到西非設置營地觀測,另一波人是由德安.科隆美林率領,前往巴西進行觀測。

當愛丁頓的觀測結果公布出來後,整個英國甚至整個科學界都非常的轟動。他們得出的觀測的結果是,星光偏折了1.79弧秒,和愛因斯坦算出來的1.74弧秒比較,誤差在實驗的容許範圍之內。它證明了廣義相對論的正確性。

1919年11月6日,英國皇家天文學會公布了這一結果。諾貝爾獎得主也是英國皇家學會的會長J.J.湯姆森莊重的宣布:「這是自從牛頓的萬有引力定律以來,和引力有關的最偉大的發現!也是人類思想史上的最偉大的成就之一。」

第二天,英國倫敦的《泰晤士報》,頭版頭條醒目的打出:科學革命——宇宙新理論——牛頓觀念破產——重大聲明——空間是彎曲的。

愛因斯坦和他的廣義相對論火了!可是,隨之而來的還有大量的質疑和批評。

在科學界主要的質疑的聲音是不相信愛丁頓團隊,真的能準確測量出星光的偏折角度。他們認為,愛丁頓有先入為主的傾向,就是為了讓觀測結果和已經提前知道的數值一致,會刻意去除一些不利的數據,就像一些比賽去掉最高分和最低分一樣。他們認為,愛丁頓團隊一直會調整,到那個最「正確」答案的出現時,就不再往下探測了。甚至還有人說愛丁頓進行學術造假……

支持質疑的聲音,主要是從1919年後,天文學家繼續通過很多日食觀測來檢驗愛因斯坦的預言。1922年在澳大利亞,1929年在蘇門答臘,1936年在蘇聯,1947年在巴西,這些日食觀測裡有些似乎確實得到了跟愛因斯坦理論一致的結果,但其他幾個結果卻嚴重偏離了愛因斯坦的預言。

他們相信1919年的遠徵隊員們在分析數據時,可能是被廣義相對論的激情淹沒了。要知道,愛丁頓是愛因斯坦的「鐵粉」,並且這次高調觀測,愛丁頓是不會輕易認輸的。

現在我們也很難得出準確的證據,愛丁頓團隊當時有沒有刻意處理過他們的數據,這個不得而知。但是在日本物理學家加來道雄的《愛因斯坦的宇宙》裡,他的說法是:愛丁頓小組觀測到的結果是平均偏折量為1.61弧秒,而巴西那邊觀測到的結果是1.98弧秒。加權平均後的結果是1.79弧秒。如果是兩邊觀測加權平均後得到的數據,可信度還是蠻高的。

並且,愛丁頓團隊這次探測也非常的好運氣,據說當天早上還是烏雲密布,而到了下午1:30分需要拍攝星光照片的時候,烏雲奇蹟般的消散了。而且這次日全食發生的時候,太陽周圍正好是畢宿星團的星星,這個星團特別的亮!

日食探測星光偏折,不確定性的因素本來就很多,其他團隊後來沒有得到像樣的精確度,也是沒有什麼可以驚奇的。

也許是牛頓的萬有引力理論,已經深入人心,愛因斯坦廣義相對論用時空彎曲來解釋引力,這個太難以讓人接受了,甚至許多人覺得簡直是謊謬。

即便是,二戰結束後新的雷達和射電天文技術已經精確測量出,星光經過太陽時偏折角度和廣義相對論預言是一致的。可是還是有很多人不願相信這個理論。

其實,早在星光彎曲探測驗證之前,廣義相對論已經正確解釋了困擾科學家們已經很久的「水星近日點進動」的問題。

按照牛頓的運動定律,太陽系中的行星會繞著太陽,做固定不變的橢圓軌道運動。可是科學家們從觀測的數據中總結得出,水星的軌道在一百年間,軌道偏移了575弧秒。

也就是說,行星運動的軌道不是完全閉合的:行星從離太陽最近的一點(叫近日點)向離太陽最遠的一點運行,然後回到最近的點,它繞過太陽不是360°,而是多一點兒。這個軌道方向的緩慢改變通常叫作「近日點的進動」。

因為太陽系中還有其他行星,它們對太陽的引力場會有小小的幹擾,所以造成行星的「近日點進動」是可以理解的。可是天文學家們排除了所有能夠找到的幹涉水星運動的因素後,還是有一個很小的數值的偏差。用牛頓理論去計算,水星的軌道應該在100年進動532秒,就是每一百年水星進動還是有多餘的43弧秒的偏移,這個小小的偏移,當時沒法解釋。

誇張的水星進動演示圖

而愛因斯坦廣義相對論出來後,他用廣義相對論效應準確的算出了這個43弧秒偏差的數值。愛因斯坦的理論中,多餘進動的來源之一是引力場本身的能量產生的引力場。而在牛頓理論中,引力只是質量產生的,沒有那個能量的引力場。

大家可以想想,愛因斯坦創立他的相對論時,並不是為了解釋「水星進動」的問題,然而,他的理論卻能準確的計算出這個一直困擾科學家們的偏差,成功解釋了這個問題的原因。這是個比用日食觀測星光彎曲,來檢驗廣義相對論更為堅實得多的理論檢驗。可是,當時也沒有得到非常的重視。

不管是已經有了「水星近日點進動」的理論檢驗,還是「星光彎曲」的實驗檢驗,許多人還是一樣對廣義相對論理論持否認的態度。

愛因斯坦廣義相對論,除了以上兩個檢驗外,當時還有第三個檢驗,就是它預言了光的引力紅移現象。

廣義相對論認為,大質量星體在彎曲時空時,不僅空間是彎曲的,時間也會變慢。時間變慢的結果是,從星體發出的光會經歷引力紅移。因為光的振蕩頻率是由光發射的時間流決定的,時間越慢光的頻率也就變得越慢,而我們知道,光的頻率越慢它的波長就越長。

在可見光中,波長從大到小的排列是,紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫;紅色之外是波長越來越大的紅外線、微波和無線電波;紫色之外波長越來越短的是紫外線、X射線、伽馬射線。光的波長越大,顏色就是越偏向紅色端,這個過程就叫做引力紅移。

太陽表面發出的光,產生的引力紅移現象,現在已經可以精確的探測得到。甚至還可以測出在太陽表面,時間流會比遠離太陽的地方慢百萬分之二,1年會慢64秒。

如果廣義相對論理論檢驗了「水星進動」,實驗檢驗了「星光彎曲」、「引力紅移」,你還是沒法相信廣義相對論,那麼它後來預言的「引力透鏡」已經可觀測得到;

它預言的「引力波」,在1905年9月,我們已經捕捉到了它;

它預言的宇宙在「膨脹」,1929年,哈勃通過望遠鏡的觀察,發現遠處的星系在遠離我們,加上他系統的計算得到了確證,宇宙確實是在膨脹的。

它預言黑洞的存在,1964年,人類通過X射線,第一次發現了黑洞天鵝X-1。2019年4月10日,我們已經拍到位於M87中心的超巨大黑洞的照片,這是人類史上第一張直接對我們黑洞觀測的天文影像。

北京時間2019年4月10日晚21點,人類史

2020年,諾貝爾物理學獎已經發給,對「發現黑洞形成是廣義相對論的有力預測」的彭羅斯,還有德國天體物理學家根澤爾和美國天體物理學家蓋茲。他們兩個發現銀河系中心有一個超大質量,大約為400萬太陽質量的黑洞。

如今,在科學共同體中,大家幾乎已經認可和信任廣義相對論。我們清楚,科學理論並不是真理,但是,在它得到越來越多的實驗檢驗時,它的正確度就越來越高。就像史蒂芬.溫伯格說的:廣義相對論為大家所接受,既不單靠實驗數據,也不單靠理論的內在性質,而是依賴於理論和實驗交織的一張複雜的網。

然而,每次提到廣義相對論,還會有不少人跳出來指責批評一翻,大有要推翻廣義相對論的架勢。

提出質疑並不是不可以,但是在提出質疑之前,希望要弄清楚,狹義相對論的主要基礎假設是「光在任何參照系下,速度不變」,廣義相對論的基礎假設是「等效性原理」。俗話說,「打蛇打七寸」,別浪費時間GGYY,如果想要推翻廣義相對論,有本事先去證明這兩個基礎假設是錯誤的,諾貝爾獎估計會發給你。

和大人聊科學,小朋友卻聽懂了,就是@醬子聊科學 關注我,漲姿勢~

相關焦點

  • 解讀狹義和廣義相對論,都有哪些預測被證實了?
    相對論解決了高速運動問題;量子力學解決了微觀亞原子條件下的問題。相對論顛覆了人類對宇宙和自然的「常識性」觀念,提出了「時間和空間的相對性」、「四維時空」、「彎曲空間」等全新的概念。狹義相對論提出於1905年,廣義相對論提出於1915年(愛因斯坦在1915年末完成廣義相對論的創建工作,在1916年初正式發表相關論文)。
  • 什麼是相對論?愛因斯坦到底破解了什麼秘密?
    愛因斯坦沉思了片刻,對他們說,現在我和一位漂亮的妙齡金髮女郎坐在一起聊天,哪怕時間過去了1個小時,我也感覺僅僅過去了3分鐘。我又面對著一個燃燒著熊熊火焰的火爐,雖然才過去了3分鐘,但是我感覺過去了1個小時。愛因斯坦的這個有趣的比喻引發了哄堂大笑,大學生們紛紛鼓掌。
  • 新理論摒棄了愛因斯坦的廣義相對論
    北卡羅來納州立大學的兩個教授摒棄了粒子或波這兩種物質的基本構成要素,而提出宇宙中所有的物理物質都是由 "能量碎片 "構成的。Larry Silverberg和Jeffrey Eischen的理論甚至可能會取代愛因斯坦的廣義相對論,後者已經被用來解釋物理現象超過一個世紀,最突出的是空間和時間的扭曲。該理論基於這樣一個基本理念,即能量在空間和時間中不斷流動,永無止境,永不交叉。
  • 時空的囚籠,廣義相對論預言的宇宙中最奇特天體——黑洞簡史
    這就是愛因斯坦的廣義相對論作出的幾個理論預言之一——星光偏折現象。但根據計算,兩者預言的結果是不一樣的,廣義相對論所預言的星光偏折程度會更為嚴重。在廣義相對論作出預言三年後的1919年,英國物理學家愛丁頓通過對非洲日全食的觀測,證明了廣義相對論的正確性,他拍攝到的星光偏移程度與廣義相對論的計算相當吻合,與牛頓萬有引力理論的計算則存在較大的誤差,廣義相對論的空間彎曲理論大獲全勝。
  • 什麼是廣義相對論?通俗易懂,了解牛頓到底錯在哪裡了
    但是它解釋不了很多問題,比如說兩個天體的高速運動的動力學規律,像是某天體以0.1個光速向另一個天體移動的時候,萬有引力在這裡就會計算失敗。因為我們知道,根據狹義相對論,在高速運動裡,質量會隨速度而增加。再比如說如果天體發生融合,它們相互旋轉、加速,這個體系中的質量會發生變化,從而引起空間的扭曲發生變化,這些都是要用引力波,用廣義相對論時空彎曲的角度才能去解釋,像萬有引力的這種簡單的模型是不可以的。
  • 黑洞、諾貝爾獎與相對論、愛因斯坦
    我們看到高鐵從面前一閃而過,但正如「你站在橋上看風景,樓上看風景的人也在看你」,對高鐵裡的乘客而言,是你在外面一閃而過,他旁邊的人相對他並沒有動。這是由於各自選取的參考系不一樣。你選取了大地作為參考系,他選取了列車作為參考系。當然就常識而言,大家都會選取大地作為參考系,確實是你原地沒動,他離你而去,他也知道是他在動。
  • 愛因斯坦的廣義相對論在地球表面上再次被證明是正確的
    1919年,英國天文學家、物理學家、數學家、亞瑟·愛丁頓爵士(Arthur Eddington)進行了一次非洲考察以觀察5月29日的日食。當時的《紐約時報》以整版篇幅報導了該日食觀測結果,證實了「愛因斯坦新物理學理論」,特別是引力引起的光彎曲,這是對廣義相對論的最早證實。
  • 命運多舛的相對論,愛因斯坦為它費盡心血
    1905年,愛因斯坦發表了5篇具有開創性的論文,其中最重要的就是《論動體的電動力學》也就是狹義相對論。可是,當時大多數的學界精英並不拿剛出道的相對論當回事。還好,頗有名望的物理學家普朗克慧眼識珠。他認識到相對論在時空上的開創性,並大力推廣。漸漸地,狹義相對論為世人所接受。
  • 這個新方程可以統一廣義相對論與量子力學
    今天,我們要講的是一個能讓愛因斯坦感到驕傲的新方程。
  • 廣義相對論表明,引力的本質是時空彎曲,但為什麼不用時空彎曲徹底取代引力?
    「黑貓白貓,抓著耗子就是好貓」這句話目前對於科學依然適用。一個理論,可預言,可檢驗就是好的。可預言,實際上就是得具有實踐指導價值,也就是好用。而愛因斯坦的時空彎曲理論和牛頓的萬有引力理論,各有各的運用領域,不可替代。
  • 提出廣義相對論30多年後,愛因斯坦仍在擔憂這件事
    來源:環球科學1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論。作為20世紀最偉大的科學理論之一,廣義相對論經過時間的檢驗,已經成為現代物理學的重要基石。但鮮為人知的是,即使到了20世紀50年代,由於缺乏實驗證據,對廣義相對論感興趣的人也並不多。因此,愛因斯坦試圖將廣義相對論推廣為新的理論。正是在這樣的背景下,愛因斯坦為《科學美國人》寫下了這篇文章。
  • 愛因斯坦提出廣義相對論後,牛頓的定律是錯的嗎?
    引力是物理學中我們已知的四個力之一,但是我們對引力的理解在不斷地深化。還有什麼能比引力更令我們熟悉呢?從高處落下一個物體,萬有引力就使它墜向地面。同時我們在課堂上學到引力使月球繞地球運動,也使地球繞太陽運動。
  • 通俗的解釋愛因斯坦相對論到底說的是什麼?
    第二個假設經常被錯誤地寫成包括在所有參考系中真空中的光速為c。 這實際上是這兩個假設的派生結果,而不是第二個假設本身的一部分。第一個假設幾乎是常識,然而,第二個假設則是革命性的。愛因斯坦在關於光電效應的論文中已經介紹了光的光子理論(這使得以太變得不必要)。
  • 對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?
    《對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?》本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。一切物理問題都是測量問題,就如一切生物問題都是進化問題一樣。萬有引力定律與廣義相對論的區別,就要從測量的角度去講述。
  • 想深刻了解廣義相對論的推導和相關解,請讀這篇文章
    本章內容旨在解釋廣義相對論的思路,所以只要耐心讀完的,肯定能有收穫。本來原標題想寫為《愛因斯坦場方程中沒有光》,可後來改變了主意。可能很多人看到這個標題,會覺得奇怪,為什麼說「愛因斯坦的場方程中沒有光?」其實我要表達的是我們看時間,看宇宙的方式問題。就好比我在問:「假如愛因斯坦是盲人,他還能建立相對論嗎?他還能寫出場方程公式嗎?」
  • 古著《西遊記》和愛因斯坦廣義相對論的關係!
    存在:你說什麼?吳承恩:勞資說,地上一日,天上一年!存在:知道,是的,懂!《西遊記》是這麼說的,可神話小說上的東西別人不會當真的。吳承恩:放我回去,我要去說服他們!存在:可以!吳承恩:(吳.愛因斯坦)這是什麼名字?勞資是中國人啊!存在:我都不介意,你囉哩巴嗦幹什麼!滾回去說服他們。
  • 愛因斯坦預言,這種蟲子滅絕,人類活不過4年!如今越看越有道理
    說了這麼多,無疑是想證明愛因斯坦對於人類文明發展所作出的貢獻。而且,他生前還提出過3個預言。其中兩個已被證實,另一個是關於人類末世的預言,如今看起來也不是沒有道理。
  • 愛因斯坦系列之八:無用之用相對論
    愛因斯坦根本否認宇宙空間是平的,他認為宇宙就像一張放了無數棉花球和鉛球的床單,床單被這些球壓出深淺不一的坑。牛頓之所以認為宇宙是平的,是因為他只看到了幾乎壓不出坑的棉花球——地球。想在宇宙空間中壓出明顯的坑來,需要巨大的質量(即重量)。太陽這麼大的星球也只能壓出幾個原子大小的坑(即坑深只相當於幾個原子的直徑),這樣的坑,我們用現在最先進的儀器也測不出來。
  • 在這裡,運用相對論有些東西是行不通的
    愛因斯坦的相對論眾所周知,愛因斯坦的理論最初是被科學界所忽視的。但在20世紀後半葉,廣義相對論才變得非常流行。今天,廣義相對論也是非常著名的。因為科學家們反覆證實了他的異乎尋常的預言。比如黑洞,或稱為引力波的空間振動。但是,每一個故事都有一個結局。
  • 狹義相對論和廣義相對論到底有啥區別?
    之前的所有文章,我們多次談到相對論中的時間膨脹和長度收縮概念,其實這裡所說的相對論僅僅是狹義相對論,其中長度收縮僅僅是一種相對效應,也就是地面人看運動的物體,長度變短了,但是運動物體自己看自身,長度依然是沒變的,這就是長度的相對性,如果不理解這個,可以翻翻前面的文章看下。