日全食怎樣證明愛因斯坦對了,牛頓錯了?

2020-12-05 火星科普

一直以來,天文學家觀測到的各種天體運動都在牛頓萬有引力定律的支配之下。甚至,天文學家還通過牛頓的引力理論直接預言了海王星的存在。然而,後來發現的水星近日點進動問題讓天文學家感到不安。

牛頓引力理論的局限性

以太陽作為靜止參照系,水星環繞太陽運動的軌道並非是封閉的。因為受到其他天體引力的作用,水星的近日點在不斷發生變化。根據測量,水星的近日點進動值與牛頓引力理論的預言並不完全一致,兩者相差每世紀43角秒。雖然這個誤差很小,但是不能忽略,一定有其他因素在起作用。

當時天文學家的猜測,水星的軌道之內可能還存在一顆行星,其引力作用使水星的近日點進動出現了異常。這就像由於海王星的存在,導致天王星的運動受到引力攝動。然而,無論天文學家怎樣搜尋,都沒能找到水內行星。

新的引力理論

到了1915年,為了解決引力無法納入狹義相對論框架的問題,愛因斯坦創立了另一種引力理論——廣義相對論。愛因斯坦認為,引力其實是由物體彎曲時空之後產生的幾何效應。質量越大的物體會更加劇烈彎曲時空,使得經過其附近的任何東西(包括光)都要在彎曲的空間中運動,這樣就會表現出引力效應。

愛因斯坦通過計算發現,廣義相對論可以完美地解釋水星近日點的反常進動現象。除此之外,金星、地球等行星的近日點進動也都完全符合廣義相對論的預言。

此後,愛因斯坦又預言了光經過引力場時,其行進方向會發生偏轉,他計算了光經過太陽邊緣所發生的偏轉角度。雖然牛頓的萬有引力定律也能預言光經過太陽邊緣會有偏轉,但偏轉角度只有廣義相對論預言值的一半。對此,英國天文學家愛丁頓決定用實驗來確定哪個理論預言是正確的,日全食是最好的機會。

星光偏轉實驗

在白天,明亮的太陽會淹沒其周圍的背景星光,所以我們在地球上無法觀測到太陽附近的恆星。但在日全食期間,太陽被月球完全遮擋住時,我們可以觀測到太陽附近的背景恆星。通過拍攝這些恆星,以確定它們在天空中的位置,並將其與在夜空中的位置作對比,這樣就能測出星光經過太陽邊緣時所發生的偏轉角度。

在100年前,也就是1919年5月29日,愛丁頓通過日全食測出了星光偏轉角度,結果證明了廣義相對論的正確性,並且牛頓錯了。不過,愛丁頓的測量誤差其實很大,他誤打誤撞地證實了廣義相對論。但愛丁頓的實驗原理並沒有問題,後來的天文學家通過更為精確的實驗,證實了星光偏轉。

不管怎樣,得益於愛丁頓的觀測結果,愛因斯坦與他的廣義相對論從此享譽世界。廣義相對論徹底改變了人類對宇宙的認識,這個引力理論的預言至今還在不斷得到證實。

愛丁頓是最早接受廣義相對論,並對該理論進行宣傳的物理學家之一。當年,愛丁頓被問及理解相對論的人是否只有三個,他則回答「第三個人是誰?」。

相關焦點

  • 100年前的一次日食證明了愛因斯坦是對的,而牛頓是錯的
    在日全食期間不僅可以看到太陽的日冕,而且在適當的條件下,恆星也可以在很遠的距離內看到。通過正確的觀察,人們可以測試愛因斯坦廣義相對論對牛頓引力預測的有效性。1919年5月29日的日全食現在已經整整100年了,也許是人類科學史上最偉大的進步。1919年5月29日,世界永遠改變了。
  • 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
    然而牛頓對水星軌跡的預測卻和十九世紀中期天文學家們看到的水星所表現出來的不一樣,科學家們也不知道該怎麼解釋這個差異。也許,我們還是需要修改引力法則。當狹義相對論提出時,證據增加了。它證明不存在絕對距離這種東西。牛頓的理論預測存在瞬時力,這與相對論相違背。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。
  • 又可以看日全食了,1919年日全食觀測讓愛因斯坦名揚天下
    這就得說一說,愛因斯坦為了解決《狹義相對論》的缺陷而提出的《廣義相對論》。廣義相對論的部分內容可以簡單描述為:引力會造成時空彎曲,如果空間是彎曲的,彎曲的空間中穿過一條光線,那麼光線就是彎曲的。該怎麼來驗證這個大膽的理論呢?生活中的物體質量實在太小了(根據牛頓萬有引力方程,引力也超級小),根本無法令光線彎曲。
  • 103年前,日全食驗證廣義相對論,因一戰打斷!卻拯救了愛因斯坦
    愛因斯坦一直尋求解決《狹義相對論》缺陷的辦法。從1907年到1911年,愛因斯坦一直致力於如何把萬有引力納入到相對論中。他曾這樣思考,如果把引力的本質描述為時空彎曲會怎樣?如果空間是彎曲的,那麼在彎曲的空間周圍射過一條光線,按照自己的理論,這條光線就是彎曲的。愛因斯坦意識到自己揭開了宇宙的神秘面紗。但是該怎麼證明自己的新理論呢?
  • 日全食如何讓愛因斯坦的相對論名揚天下?
    牛頓VS愛因斯坦廣義相對論的一個關鍵原則是空間不是靜態的,物體的運動可以改變空間的結構。相比之下,在牛頓的宇宙觀中,空間是「惰性的」。愛因斯坦認為,時間和空間是相對的,空間與另一個維度——時間相結合,創造了一個被稱為時空的宇宙結構。物體穿過時空時,這種結構會被物體的質量和運動扭曲、彎曲。牛頓和愛因斯坦時空觀的一個重大分歧是關於引力對光的影響。
  • 100年前的一次日全食證實愛因斯坦的廣義相對論
    據外媒報導,一個世紀以前,亞瑟·愛丁頓領導一組天文學家前往西非海岸附近的一個小島上觀測日全食。他們的目標是觀測太陽附近的星星位置。 該實驗在100年前證實了愛因斯坦的廣義相對論,並使愛因斯坦名揚天下。根據牛頓的物理概念,光沒有質量,因此不會受到重力的影響,所以它應該總是保持直線運動。雖然愛因斯坦1915年的廣義相對論理論並沒有直接與牛頓相悖,但愛因斯坦將引力視為時空扭曲。他假設太陽的重力會使光線彎曲,太陽附近的星星視位置會變化。愛丁頓開始通過在日食期間觀測恆星來驗證愛因斯坦的理論。
  • 愛因斯坦的1919,廣義相對論是如何一步步被證明的
    愛丁頓無疑會為這些風險擔憂,但這並不會阻撓他的行動,因為這次觀測能夠證明或反駁現代科學中最具革命性的科學理論:廣義相對論。 2. 1915年11月,愛因斯坦向普魯士科學院遞交了全新的引力理論——廣義相對論。
  • 百年前一場日食,推翻了牛頓,捍衛了愛因斯坦
    1915年,愛因斯坦提出了一個新的替代引力理論:廣義相對論。用它來推翻牛頓的理論,等一次日全食就可以了。百年後,愛因斯坦的理論被證明是正確的。接下來,我將給大家解釋這段傳奇。 像日全食這般的天文現象可以為驗證愛因斯坦的理論提供獨一無二的機會,因為其他遙遠的天體的光路在經過太陽附近時會發生偏折,但是仍然能為地球上的觀日者所見,因為當太陽被月球完全遮擋的時候,天空也隨之變暗。這一方法在1919年5月29日得到了應用,目的是為了第一次證明愛因斯坦的廣義相對論。
  • 被評為「世紀第一人」的愛因斯坦,真的對了嗎?
    當時物理學界有一個權威人物叫牛頓,愛因斯坦可能是去聽了一場報告,叫做「牛頓對了嗎」。當時牛頓有很多理論非常重要,但它們背後有一個非常深刻的假設,就是他的時空觀。時空是什麼?時:時間,連綿不絕。空:空間,無限擴展。
  • 愛因斯坦被評為「世紀第一人」,他的理論真的對了嗎?
    當時物理學界有一個權威人物叫牛頓,愛因斯坦可能是去聽了一場報告,叫做「牛頓對了嗎」。 比如他發現他的狹義相對論跟牛頓的引力理論在數學上是不相符的,這是需要解釋的。不相符,可能有一個錯了,或者兩個都是錯的。 大家知道,牛頓的引力理論是非常深入人心的。比如蘋果從樹上往地上落,月亮繞著地球轉,天與地的事情都歸它管,它是一個管天和地的理論。
  • 愛因斯坦一思考,牛頓就哭了!這是為什麼?
    地球在運動並不是那麼顯而易見牛頓的經典力學開啟了人類文明的第一次工業革命。他的理論為人類作出了巨大的貢獻,從火車、飛機、炮彈到火箭、衛星、宇宙飛船無一例外不用到牛頓的運動定律,幾乎無人敢於挑戰。然而200年後的1905年,愛因斯坦站出來說:牛頓,你錯了!
  • 愛因斯坦一思考,牛頓就哭了!這是為什麼?
    然而200年後的1905年,愛因斯坦站出來說:牛頓,你錯了!你這個絕對空間和絕對時間有證明過嗎?我認為時間和空間是相對的,而時空才是絕對的。當年,牛頓是在哥白尼的「日心說」,推翻了亞里斯多德的「地心說」這個基石上建立起來他的新理論,而這次愛因斯坦直接動搖的,則是牛頓的「絕對時間和絕對空間」這一個基石。愛因斯坦為何有勇氣這麼說?
  • 牛頓與愛因斯坦誰更偉大?
    後世科學家所取得的成就也無不建立在牛頓經典力學的基礎上,直至近代愛因斯坦的橫空出世,牛頓的地位才被撼動。牛頓與愛因斯坦如此一來,愛因斯坦與牛頓孰對孰錯,便成為科學愛好者津津樂道的話題,我也是其中的一員,但我發現這個話題對普通人而言毫無意義
  • 2017年日全食「追蹤」指南
    美國航天局和戈達德航天中心聯合發布指南說,2017年的日全食只在美國可見。美國當地時間8月21日,一次罕見的日全食現象將橫貫美國大陸,這是1918年以來首次發生僅在美國可見且美國東西兩岸皆可觀測的日全食。
  • 牛頓的萬有引力深入人心,可為什麼愛因斯坦卻說引力並不存在?
    只不過,他們沒有足夠的證據證明地球本身在動,因此,他們假設地球是不動地,以地球為絕對參考系來看其他的天體,就會認為其他的天體都在繞著地球運動。同時,當時的學者其實已經發現天體走的軌跡並不是完全的圓,但由於他們對於「天界完美」的信仰,還是用各種圓來套,這使得地球說成為極其複雜的一套理論。至於「天體會繞著地球轉」,當時認為天界都是由「以太」構成的,這種物質就會使得天體走出「圓」的軌跡。
  • 「牛頓啊,請原諒我。」
    愛因斯坦於1907年11月開始,獨自踏上了通往物理學史上最優雅、最震撼人心的徵途——廣義相對論的證明。幾年之後,他將名揚天下,他此前上課的每一次散亂、支吾和邋遢也將成為世人的美談。廣義相對論秋去冬來。轉眼到了1915年的11月,距離「狹義相對論」提出已經整整十年,距離證明「廣義相對論」已經八年。愛因斯坦要放大招了。
  • 牛頓啊,請原諒我
    愛因斯坦於1907年11月開始,獨自踏上了通往物理學史上最優雅、最震撼人心的徵途——廣義相對論的證明。幾年之後,他將名揚天下,他此前上課的每一次散亂、支吾和邋遢也將成為世人的美談。廣義相對論秋去冬來。轉眼到了1915年的11月,距離「狹義相對論」提出已經整整十年,距離證明「廣義相對論」已經八年。愛因斯坦要放大招了。
  • 如果相對論錯了,會有什麼嚴重後果?300年的科學發展將被傾覆!
    在愛因斯坦之前,近代科學之父牛頓提出了牛頓三大定律和萬有引力定律,把太空中的物理學規律和地球上的物理學規律統一了起來。牛頓之後,愛因斯坦之前,最偉大的理論物理學家是麥克斯韋,他提出了麥克斯韋方程,通過麥克斯韋方程他統一了電和磁,預言了電磁波的存在,光是一種電磁波。
  • 1919年兩支遠徵隊觀測日全食,證實了愛因斯坦時空彎曲理論
    愛因斯坦只是對萬有引力怎麼來的進行了一個追根溯源,用場方程更精闢的解釋了萬有引力的本質,並且從動態方面糾正了牛頓經典力學的一些誤差,從而使人類認識更接近真是的世界而已。牛頓的萬有引力定律表述為:F=GMm/r。
  • 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」。