日食成就了愛因斯坦的科學巨星地位

2020-10-18 大科技

100年前，阿爾伯特·愛因斯坦是德國柏林大學的一名教授，那時他的名字還沒有家喻戶曉，只為少數的科學家、知識分子和身邊的人所熟知。

1919年5月29日是一個重要的日子，尤其是對愛因斯坦來說，就在這一天，當月球剛好運動到太陽和地球之間時，日食證明了愛因斯坦廣義相對論的正確性，讓愛因斯坦一下子聲名大噪，成為了那個時期最具權威的科學家。而廣義相對論也取代了牛頓的引力理論，成為了解釋空間最有力的物理理論。

正值這個歷史性的日子100年之際，讓我們一起去了解這段歷史吧。

凝視太陽

1687年，艾薩克·牛頓發表了他的巨著《自然哲學的數學原理》，提出了萬有引力定律：宇宙中相隔一定距離的任意兩個有質量的物體間有引力的作用。根據牛頓的理論，空間只是一個固定的背景，引力造成了物體的運動。在一段時間內，牛頓的萬有引力理論很好地解釋了一些天體的運動，包括月球繞地球的運動，甚至還成功預測了海王星的軌道。

然而萬有引力定律也有很多問題，最典型的問題就是水星的進動問題。每個行星圍繞太陽以橢圓軌道運動，一般有遠日點和近日點，這些軌道並不是固定的，以太陽為中心，行星軌道會緩慢地變換位置。行星每轉一圈，其近日點便會發生偏移，稱之為近日點進動。偏移主要是由歲差和攝動引起的，但是利用牛頓定律的計算結果與實際的觀測結果之間存在著不可忽略的差異。1859年，法國天文學家勒威耶發現這一差異為水星近日點每100年進動38角秒（角度單位，1度等於3600角秒）；1882年，加拿大天文學家紐康對這一數值進行了校正，得出水星近日點進動值為每100年43角秒。於是為了解釋水星進動的現象，愛因斯坦提出了廣義相對論。

在1915年提出的廣義相對論中，愛因斯坦對牛頓提出了直接的挑戰。廣義相對論拋棄了引力將物體拉到一起的觀點，提出空間和時間一起形成了一個四維的東西叫做時空，而所謂的引力實際上是物體對時空的扭曲，一個物體的質量越大，時空的變形就越大，它附近的物質受到彎曲時空的影響而向它靠近。在原本平直的時空上放一個恆星，時空發生彎曲，就像在一張拉直的布上放了一個重物，而發生了塌陷一樣。

由於太陽的質量很大，所以太陽附近的時空就扭曲了，正好造成了水星的進動，而且愛因斯坦的計算結果也剛好符合觀測結果。不過，當時的人們還是不認同廣義相對論。

根據愛因斯坦的理論，光也會經過時空，在大質量天體的附近也會改變路徑。當一個發光的天體處在另一個大質量天體後面的時候，我們也是有機會看到它的，只不過由於光線發生了彎曲，我們看到的天體位置並不是它原本的位置，這便是「引力透鏡」現象。造成光線改變的大質量天體叫做透鏡天體，它的周圍常常會出現幾個亮點，有時也能觀測到這些亮點連成一個美麗的圓環，即「愛因斯坦環」。在透鏡天體背後發出光線，並呈多個亮點的天體，則稱為「源天體」。

在愛因斯坦發展廣義相對的10年中，他意識到太陽的質量足以使這種效應引人注目。當然，檢驗這個預測並不容易，因為太陽光太耀眼了，我們在白天看不到它背後的星星。而晚上出現的星星並不是太陽背後的恆星，所以太陽並沒有彎曲它們發出的光。只有當太陽出來了，但是它的光被擋住了，人們才能驗證愛因斯坦的理論。這也是1911年，愛因斯坦研究廣義相對論時，要求天文學家在日食期間觀測天空的原因。

搜尋證據

第一個試圖驗證廣義相對論的人是德國天文學家歐文·芬萊-弗倫德裡希。他是一個悲劇性的人物，一生的大部分時間都致力於證明愛因斯坦彎曲光線的正確性，但從未成功。芬萊先是分析日食的照片，但是由於照片上的星星不夠清晰，他便籌集了一筆錢前往烏克蘭，因為在那裡可以觀察到1914年的日食。不幸地是，第一次世界大戰爆發，俄國士兵俘虜了芬萊，沒收了他的觀測儀器。

除了芬萊，來自美國加州立克天文臺的天文學家也試圖在烏克蘭基輔附近拍攝日食，但是卻受到了大自然的阻撓：雲層遮住了他們的視線。因此，在1914年，沒有人能幫助愛因斯坦證明他的理論。不過，在這段時間裡，愛因斯坦對自己理論中的一些小的計算錯誤進行了修正，最後出版了完整的廣義相對論。

後來，一份愛因斯坦理論的副本落到了英國劍橋天文臺主任阿瑟·愛丁頓的手中。愛丁頓相信愛因斯坦的理論，與英國天文學家弗蘭克·沃森·戴森合作想出了一種解決爭論的方法。

在1919年5月29日的日食期間，太陽將處於地球和畢星團之間。這是一個明亮的球形星團，擁有300多顆成員星。在日食期間，天文學家會有6分鐘的時間來觀測它。他們計劃將日食期間拍攝的畢星團圖像與幾個月後畢星團在夜空中出現時的正常圖像進行比較，觀察光線是否有偏移以及偏移的程度。

愛丁頓與戴森深知拍攝日食的困難性，於是組織了兩個隊伍：愛丁頓前往非洲西海岸外的普林西比島，另一隊前往巴西索布拉爾島。當1919年決定性的一天到來時，雖然天氣並不十分理想，但是愛丁頓仍拍攝到了關鍵性的照片，證明了愛因斯坦的正確性。

隨後，愛因斯坦的名字便家喻戶曉，甚至成為了天才的同義詞。不過，一些質疑的聲音仍然存在，美國天文學家喬治·埃勒裡·黑爾就曾在一封信中承認到，廣義相對論仍讓他難以理解。但進一步的日食觀測繼續為廣義相對論提供依據。1922年澳大利亞的日食和1923年墨西哥的日食再次證實了相對論。

1919年的日食是愛因斯坦成為科學界超級巨星的第一步，也是最重要的一步，而真正讓他名垂青史的是其理論的正確性。不過，科學一直在發展之中，新的理論也層出不窮，誰也不知道什麼時候廣義相對論就會被完全取代。

水星的歲差、攝動和進動

歲差是指一個天體的自轉軸指向在空中緩慢且連續的變化，例如，地球自轉軸實際上是在旋轉的，以大約25786年為周期掃出圓錐的形狀。這是由於地軸並不是完全豎直的，地球也不是完美的球形，是太陽和月亮對地球和軌道面的引力有小角度造成的。歲差引起了90%的水星近日點進動。

攝動是指其他天體對作軌道運動的天體所施加的引力作用。對水星來說，主要是金星、地球和木星的攝動會引起近日點進動。

水星近日點每百年會進動5600角秒，在作了5025角秒的歲差校正和532角秒的行星攝動校正後，仍有43秒的世紀進動。

相關焦點

  • 1919年日食是檢驗廣義相對論的第一個實驗，確認愛因斯坦巨星地位
    ，並確認了愛因斯坦科學巨星地位（太陽和月亮確認過眼神，確定是對的人）一百年前，愛因斯坦（Albert Einstein）並不是家喻戶曉的名字。他的巨星崛起始於1919年5月29日，當時月亮和太陽正好對準，形成日食。天文事件的照片顯示出一些奇怪的現象：日食期間可見的一些星星位於錯誤的位置。愛因斯坦已經預見到這一點。利用廣義相對論，他做出了看似瘋狂的賭注，即日食期間恆星在天空中的位置會發生變化，甚至可以計算出多少。劍橋大學天文研究所的部門圖書管理員馬克·赫恩（Mark Hurn）說：「恆星精確地移動了廣義相對論預測的數量。」
  • 在日食中,尋找愛因斯坦的預言!太陽周圍的時空,或真發生了改變
    日食究竟是什麼？如果在很久遠的古代，那麼可能人類將日食會看作是神明的法術，所做的一種行為。但事實上，當人類社會的科學技術水平發展到如今的時代，對於日食也有了最科學的詮釋。 日食的種類有很多，比如說日全食，日偏食，日環食，全環食等等。
  • 偉大的科學巨星-愛因斯坦，居然是渣男
    愛因斯坦在蘇黎世上學的時候，愛上了同樣學習數學的米列娃。他在信中寫道:「親愛的米列娃，如果要把相對論運動課題做成功，只有你能幫我。我是多麼的幸福和自豪！」由此可見，米列娃的學識不在愛因斯坦之下。最終，米列娃在他瘋狂的求愛攻勢下妥協了，他們相愛同居後，米列娃很快有了身孕了，這在19世紀是違背道德的大事情。
  • 100年前的日食照片證實:愛因斯坦的相對論是正確的
    近100年前拍攝的一張標誌性日食照片首次證實了阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論。1919年5月29日，阿瑟·愛丁頓拍攝了這張標誌性的日食照片。1916年發表的愛因斯坦廣義相對論仍然是20世紀科學的一項偉大成就。這位德國物理學家的理論解釋了我們所認為的重力實際上來自於時空的曲率。
  • 百年前一場日食,推翻了牛頓,捍衛了愛因斯坦
    在愛因斯坦提出廣義相對論之前，他就明白彎折必然會出現，儘管（在當時）許多論據仍然值得被質疑，直到（甚至是在這之後）1919年的那場日食證明了他的假說。牛頓和愛因斯坦關於彎折程度的假說有著天壤之別，這是因為在廣義相對論中，時間和空間都為質量所影響。
  • 那次日食證明了愛因斯坦是對的,並改變了我們對宇宙的理解
    1919年5月29日，英國科學家準備利用日食來檢驗一種革命性的引力新理論——廣義相對論——這一理論是尚未出名的阿爾伯特·愛因斯坦的構想。相對論現在被稱為「人類思想上最偉大的成就之一」，就像當年晚些時候獲得諾貝爾獎的物理學家j·j·湯普森(J.J. Thompson)所說的那樣。
  • 即將到來的日食是再一次證明愛因斯坦的機會
    在八月即將發生的日食、我國也有不少組團組隊去觀賞的、去的目的當然也是拍一些難得的瞬間分享精彩的日食過程。但似乎我目前還沒聽說任何國內團隊要藉助日食來驗證相對論的…既然國內沒有，那麼我們來看看國外的天文愛好者即將準備的日食驗證吧！對於一些天文愛好者來說8月21日即將到來的日食絕不僅僅是在美國罕見的天象。
  • 100年前的一次日食證明了愛因斯坦是對的,而牛頓是錯的
    在愛因斯坦提出他的廣義相對論之前，他明白這種彎曲必定會發生，儘管許多人在1919年的日食確認他的預測之前（甚至之後）仍持懷疑態度。由於廣義相對論中空間和時間都受到質量的影響，愛因斯坦和牛頓對應該發生的彎曲量的預測存在顯著差異。愛因斯坦的廣義相對論如何形成的歷史是令人著迷的，因為只有這樣一個事實，牛頓的引力最終會產生問題，促使愛因斯坦制定他的新概念。
  • 高斯在數學界的地位與愛因斯坦在物理學界的地位對比,怎麼樣?
    數學王子及其成就高斯，猶太人，德國著名數學家、物理學家、天文學家、在地測量學家、近代數學奠基者之一．可能我們平常人了解它應該是計算1加到100的方法，其實高斯和阿基米德、牛頓、歐拉並列為世界四大數學家．他一生的成就極為豐碩，以他命名的成果達110
  • 楊振寧的科學成就能和愛因斯坦比肩嗎？他只能排到第四梯隊！
    2005年英國皇家學會將牛頓評為科學史上最有影響力的人，地位高於阿爾伯特·愛因斯坦！英國皇家協會的騷操作是不是有點黃婆賣瓜的嫌疑？但這似乎並不影響圍觀群眾的評論，似乎大家都認為名副其實！愛因斯坦開創相對論時代愛因斯坦的狹義相對論建立在前人偉大成就的基礎上的，比如光速不變已經由麥可遜-莫雷實驗說揭示，下一相對性原理已經被龐加萊所提出，儘管只是個初稿，而相對性效應則洛侖茲已經為其代勞，但這層窗戶紙還是要被善於打破常規的愛因斯坦來捅破，所以愛因斯坦也是站在巨人的肩膀上。不過隨狹義相對論誕生的還有質能等價方程，也有十年之後誕生的廣義相對論。
  • 為何說100年以前的一場全日食證明了愛因斯坦對了而牛頓錯了
    1915年，埃爾伯·愛因斯坦提出了一個替代萬有引力的新理論：廣義相對論。測試廣義相對論與牛頓的理論相對的方法就是等待一場全日食。100年以前，愛因斯坦被證實是對的。以下為證明方法。當引力場較弱時，牛頓的法則是愛因斯坦理論非常好的近似值。然而，當天體接近大質量或處於高速狀態時，愛因斯坦的預測便與牛頓的預測不同。愛因斯坦確切地預測出了那個每世紀43角秒的差別。但是，推翻一個科學理論的障礙比這可多得多，要取代舊理論，新理論必須達到如下條件：重現舊理論的成功之處。
  • 兩大人類精華,睥睨天下,究竟牛頓和愛因斯坦誰的科學地位最高?
    同樣是如此偉大的兩個人，如果我們來做起比較，他們兩位大師誰給人類的貢獻更多、地位更高呢？艾薩克·牛頓（1643.1.04-1727.3.31），英國皇家協會會長，英國著名物理學家，百科全書式的全才，著有《自然哲學的數學原理》、《光學》，他被英格蘭的安妮女王封為爵士，使他成為艾薩克牛頓爵士。
  • 愛因斯坦的日食緣——BBC《愛因斯坦和愛丁頓》影評(組圖)
    這不，談資來了，今年是愛丁頓用日全食觀測驗證廣義相對論90周年，以拍攝科學紀錄片著稱的BBC(英國廣播公司)為此而拍攝了《愛因斯坦與愛丁頓》，足以滿足我們在舒適的享受中了解科學的小小心願。　　1919年發生在非洲的這次日全食，是牛頓經典力學與愛因斯坦相對論的一次「巔峰對決」。兩百多年的時間裡，從蘋果落地到發現新行星，從槓桿到蒸汽機，牛頓力學「一統江山」。
  • 智商跟成就成正比嗎？他們都比愛因斯坦聰明，為何成就卻不如他？
    ，然而，他們在科學上的成就，名聲，地位，都不如愛因斯坦。他的科學成就，可以概括為朗道十誡，這十大成就涉及物理學各個領域。如果朗道跟馮諾依曼兩人，能像愛因斯坦那樣，把畢生的聰明才智，都聚焦在一個更重要的科學領域上，也許兩人的成就，可以比現在更高。2 直覺我們的手機晶片，既有負責計算邏輯的CPU，也有負責處理圖形的GPU，這兩者性能的綜合，才是晶片的真正性能。
  • 你看的日食和大佬看的日食，是同一個日食嗎？
    今天，朋友圈、微信群裡到處都是日食的刷屏，有轉發日食原理的，有說經歷的，等等，我很樂意看到這樣的景象，說明咱們的科學信息在更廣泛的人群中傳播日食中的星光實驗但是，科學這件事，不是說能解釋過去的現象就好了，如果單單要解釋現象，那麼天狗吃太陽也能很好地解釋日食。科學更重要的使命是預言未知的現象。天狗吃太陽，無論如何也是沒法預言下次什麼時候會出現日食的，而現代天體運行理論，則可以精確地預言在6/21日在某時某地出現日環食。廣義相對論則推論了一個驚天的預言！
  • 為什麼愛因斯坦說中國沒有科學？
    在1953年，就是這樣的一個人在回復關於「中國歷史上存不存在科學」的問題時，不僅道出了自己的觀點，還公開了回復問題的信件，信上是這麼寫的：西方科學的發展是以兩個偉大成就為基礎的，這兩個偉大成就分別是：信件中愛因斯坦也道出了其中的原因，說得相對簡單與抽象，下面我用大白話說一下他的觀點。
  • 科學常識一、我國科學成就二、外國科學成就;生活科學常識
    第四章-科學常識（一）第三節 科學常識一、我國科學成就二、外國科學成就三、生活科學常識（一）天文（二）地理（三）醫學（四）農學和手工業（五）四大發明1.天象記錄（1）商朝：最早記錄日食、月食、流星雨和新星。
  • 為什麼在國外楊振寧的地位這麼高?他的成就到達了什麼程度?
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。物理學家的歷史地位如果要問如今中國物理學界，或者說世界物理學家的泰鬥，那這個人選無疑就是楊振寧了。可能你要說了，楊振寧到底有啥成就？說到這裡，我們不妨來給物理學家的歷史地位做一個簡單的劃分。物理學家是一群喜歡統一的學者，頂級物理學家懷揣著做出大一統理論的夢想。因此，如果要給物理學排個梯隊，那第一梯隊的物理學家都應該完成過統一大業的。比如，牛頓統一了天上和地上的物理學；愛因斯坦統一了質量和能量，時間和空間；至於麥克斯韋則是統一了電和磁，並預言了電磁波的存在。他們毋庸置疑是第一梯隊的存在。
  • 愛因斯坦最傑出的特點不是他的科學成就,而是他偉大的人格
    過去，他對每一位客人都深表歡迎，不論是德國最著名的劇作家豪普曼，或是剛從波蘭來的窮苦學生（多半是要求愛因斯坦博士協助他進入大學就讀），他都一視同仁。但現在，似乎每個經過柏林的人都想來拜訪這位害羞的教授了。有一天，一位活潑的年輕人前來拜訪，提出一筆優厚的酬勞，請愛因斯坦寫篇介紹自己的文章給他工作的雜誌，愛因斯坦冒火了。
  • 百年前日食驗證廣義相對論,改變了人類對宇宙的認知!
    1919年5月29日，英國天文學家亞瑟·愛丁頓和安德魯·克羅姆林決定利用日食驗證一項具有革命性的新引力理論——愛因斯坦的廣義相對論。雖然早在1915年愛因斯坦就提出了這一理論，但直到1919年的這場日食，廣義相對論才得到證實。1919年，巴西索布拉爾的日全食。