我們都知道黑洞是廣義相對論預言的,不過黑洞並不是愛因斯坦本人預言的,而是科學家史瓦西。其實愛因斯坦很反對,還專程寫了一篇論文反對。當然,後來更多的年輕科學家站到了史瓦西的這邊,這種事情其實在整個科學史都很常見。
科學圈一直流傳著這樣一句話「薛丁格不動薛丁格方程」,指的就是量子力學奠基人之一的薛丁格自己搞出來的波動方程,自己不能接受這個方程的物理意義。
也就是說,聊到相對論的預言,不能只聊那些愛因斯坦本人的預言,而是要關注理論本身,看看理論能給出什麼樣的預言。接下來,我們來一個個聊一聊:
引力透鏡
引力透鏡是指:
當背景光源經過引力場附近(比如:星系,黑洞,星系團)時,光線就會像是通過了透鏡一樣發生彎曲。
這個彎曲的程度取決於引力場的大小。實際上,自從光的波粒二象性被提出後,在牛頓理論體系當中,光也是可以偏折的,只不過後來英國天文學家愛丁頓帶團隊親自驗證了:
同樣是發生偏折,愛因斯坦的理論預言的偏折角度的誤差遠遠好於牛頓理論給出的偏折角度產生的誤差。
不過,這裡還發生了一個小故事,愛丁頓其實作弊了,他只挑了一些有利於相對論結果的數據,而摒棄那些不利於相對論的數據。所以,愛丁頓的論文一發表,愛因斯坦就直接封神了。
後來,1978年愛因斯坦誕辰100周年,格林威治天文臺臺長拿出了當年愛丁頓的論文時,才發現了愛丁頓數據造假。不過,他們並沒有著急宣布,而是重新用最新的技術進行測量,發現愛丁頓受限於當時的觀測技術,才得出這些數據不利於相對論。實際上,這些數據用現代的技術測量是和相對論擬合的非常好的。
可以說是有驚無險,完成了兩次大反轉,最終還是說明了相對論是很精準的。其實愛因斯坦和他的理論簡直就是反轉之王,後面還有更奇葩的反轉。
引力紅移
引力紅移是指
光或者其他波從引力場(各種大質量天體)遠離時,頻譜會往紅色端方向發生偏移。
我們都知道光是有波動性的,在引力場大的地方,波長會變大,就像下面這樣:
這時候,光的波長就會往紅外光的方向偏移。
要知道,我們能看到的光的範圍是有限的,被稱為可見光。光的波長變大就有可能偏移出可見光範圍,那樣人眼就可能看不到。這次黑洞的照片就驗證了這一點,我們仔細看照片會發現,上半部分的光明顯少於下半部分,這就是因為發生了引力紅移,光從可見光便宜到了不可見光,也就是引力紅移。
說白了就是波長變長了,頻率變低了。這一次發現的黑洞照片也驗證了引力紅移的現象。、
水星進動
話說牛頓的理論告訴我們,
行星繞著恆星運動是一個橢圓的軌道,一個周期結束後回到原點,繼續下一個周期。
所以科學家自然而然會把這個理論運用到各個天體的運動上,其中就包括水星。
但是科學家經過細緻的計算,發現不管咋樣,理論和觀測結果都不太匹配,水星每次都沒有回到初始的位置,而是稍稍發生了一點偏差。其實這個誤差特別小,但是科學家是無法忍受的。
科學家把各種情況都考慮進去(比如:金星和地球的引力),結果還是差一點點。這個奇怪的現象這就叫做水星進動。
而愛因斯坦的相對論就能夠解釋這個現象。在相對論中,行星運動的情況恰恰就是會發生進動這種情況的。實際上地球也有進動,我們之所以沒感覺到地球會發生這種現象,只是因為太陽系內的引力場小所以相對論的效應沒體現出來。
在引力場比較小的情況下牛頓理論和相對論的結果十分接近。而水星因為離太陽很近,引力很大,這個差別就一下子體現出來了。這其實和在宏觀低速情況下相對論和牛頓理論結果十分相近是一個道理。
引力波
愛因斯坦認為:如果空間內沒有任何東西存在,時空就會是平直的。但是如果有天體存在,時空就會被扭曲。
當帶有質量的天體開始加速運動時,時空就會產生漣漪,就好像池塘裡的水波一樣,這其實就是引力波。不過,一般來說引力波非常微弱,我們根本探測不到。目前的技術手段只能探測到特別大質量的黑洞或者中子星合併時產生的引力波。
瞎貓碰上死耗子型的「宇宙常數」
最後再說個瞎貓碰上死耗子型的預言。
愛因斯坦提出廣義相對論時,裡面有個方程,從這方程上看,宇宙應該是膨脹的。
可是愛因斯坦覺得宇宙怎麼可能會膨脹?他認為宇宙應該永恆不變的才對。
於是,加了一個宇宙常數。
也就是那個「Λ」,這樣這個方程就表示宇宙是恆定不變的。於是愛因斯坦很滿意地發表了文章。結果呢?啪啪啪打臉!
沒多久,哈勃就發現:
很多星系正在離我們遠去,離我們越遠的星系遠離的速度就越快。
科學家們通過各種理論驗證,認為如果宇宙是一直在膨脹的,那倒推回去不就是一個點麼?於是提出了宇宙大爆炸。
也就是說,愛因斯坦那個方程的宇宙常數是多餘的,應該被刪掉。於是,就變回了原來的樣子。
沒過多久,也就是在1998年,兩個科研小組發現了一個驚天大秘密:宇宙是在加速膨脹的。也就是說,這個方程原來描述的宇宙膨脹是一個勻速狀態,也就是不對的,需要加一個常數「Λ」進去彌補加速膨脹的效應,於是,這個方程又變回了愛因斯坦提出時的樣子。
可以說是科學史中難得一見的大反轉,只是其實兩個常數的意義是不同的罷了。不過從某種角度來看,愛因斯坦預測的結果對了,只是預測推理的過程有點問題。
蟲洞
關於廣義相對論裡的語言,其實還有愛因斯坦羅森橋,也就是科幻裡常用來穿越的蟲洞,不過這個理論目前還停留在猜想和理論階段,科學家還沒有找到任何蟲洞存在的證據。
關於,愛因斯坦和他理論的預言,我們就說到這裡。