日全食退去科學繼續:廣義相對論被證實竟與此有關
2020-12-06 北晚新視覺網美國當地時間8月21日，一場橫掃美國14個州的日全食吸引了全球的目光。而上一次同樣規模的橫跨美國大陸的日全食，要追溯到差不多100年前，那時正值第一次世界大戰。日全食也為科學研究帶來了難得的機遇。那麼歷史上，人們利用日全食這種特殊天象，有過哪些重要的發現？又正在進行什麼樣的研究?
觀測到引力場中光線彎曲
廣義相對論預言是真的
阿爾伯特•愛因斯坦的大名家喻戶曉。1916年愛因斯坦發表了名為《廣義相對論的基礎》的論文，文中假定引力並不是一種力，而是時空連續體中彎曲的場，質量存在正是造成彎曲的原因。特別是在太陽系，牛頓的引力理論可以看作是廣義相對論的一級近似，通過測量水星軌道近日點的進動、引力場中光線的彎曲等實驗，是能夠驗證廣義相對論的。
太陽系中的大質量天體非太陽莫屬，要想驗證引力場中光線的彎曲就應該觀測太陽附近恆星發出的光線，是否由於太陽的存在而發生彎曲的現象。但一來引力場中光線的偏轉角度很小，二來太陽光實在太強，在地球上很難觀測到與太陽方向十分接近的其他恆星的光。因此天文學家想到在日全食發生時，由於月球擋住了來自太陽光球的強光，應該可以通過仔細測量恆星光線發生偏轉的角度，進而驗證廣義相對論是否正確。
1919年5月29日，全食帶掃過巴西的索布拉爾和非洲的普林西比。英國派出了兩支日全食觀測隊分赴巴西和非洲，目標明確，就是要驗證廣義相對論。著名的天文學家阿瑟•愛丁頓爵士參加了非洲小隊的觀測。感謝照相術的發明，天文學家能夠利用巧妙設計的底片，推算出太陽附近恆星光線偏轉的極小角度，1.98個角秒的計算結果與愛因斯坦廣義相對論預言的1.75個角秒的理論值基本吻合。
這次日全食觀測的結果為廣義相對論提供了堅實的觀測支持，讓原本對廣義相對論持懷疑態度的人們對這個天才的理論大大改觀。而淡定的愛因斯坦在通過電報得知愛丁頓等人的觀測結果時，只是平靜地回答：「我一點也不驚訝，因為如果觀測到的不是這樣，對上帝來說就太遺憾了。」
日冕為什麼這麼熱
仍然沒有答案的謎題
歷史的滾滾車輪把我們帶到21世紀的第二個十年。各種高新技術層出不窮，五花八門的深空探測器也各顯神通，天文學家能夠利用的觀測設備以及獲取天體信息的手段當真是不可同日而語了，為什麼包括NASA在內的天文專業研究機構仍然十分珍視8月21日的這次日全食呢？簡而言之，答案只有兩個字——日冕！
日冕是最外層的太陽大氣，是我們平日裡聽說的「太陽風」和「日冕物質拋射」等太陽物理現象的起源地，這些太陽物理現象與生活在地球上的人類息息相關。通常情況下，只有在發生日全食時才能觀測到日冕。當然聰明的天文學家早已發明了日冕儀，人為地在望遠鏡上加上遮光板，遮擋住太陽光球的光芒。但因為要防止太陽光子進入探測設備，所以日冕儀的擋板一般要比太陽盤面更大，這就會擋住日冕的內部區域，同時還有其他諸如衍射的問題。而日全食時月球完全將太陽的光球遮擋住，是最好的天然遮光板，此時在地面拍攝的圖像要比日冕儀拍攝的清晰得多，所以日全食仍是觀測日冕的最佳時機。
日冕是太陽最外層一個向外輻射、不斷變化的冕狀高溫等離子體。有時其中一個環狀結構會折斷，向太空中拋射高能物質，就是所謂的日冕物質拋射。這種高能物質的噴發可不得了，如果噴發正好對準地球，就會破壞衛星，摧毀電網，破壞力極強，正因如此，對空間天氣的研究越來越重要，而研究的主要目標之一就是我們的恆星太陽。
日全食期間天文學家藉助各種觀測設備，在不同的波段可以對日冕的磁場、太陽風的起源細節等進行特殊條件下的研究，最特別的是希望能夠對太陽物理學最大的謎題「日冕為什麼這麼熱」給出更合理的答案。日冕的物質密度只有太陽表面的萬億分之一，很容易認為那裡是太陽溫度最低的地方。可實際情況恰恰相反，太陽表面的溫度大約是幾千攝氏度，而日冕的溫度則是幾百萬攝氏度，也就是說離開熱源越遠，溫度反而越高，真是不可理解。因為材料加熱的最基本方式是粒子碰撞，但日冕的物質密度如此之低，粒子間的碰撞應該非常罕見，所以天文學家一直沒有搞清楚到底是什麼原因使得日冕擁有幾百萬攝氏度的高溫。
驗證古籍記載「天再旦」
中國歷史紀年的重大突破
日全食現象不僅為自然科學研究帶來了機遇，在人文社會科學研究中，也曾做出過重大貢獻。
1997年3月9日在中國的「北極村」漠河發生了一次日全食。眾多天文學家和天文愛好者以及各大媒體都對這場日全食給予了無限關注。但鮮有人知的是在同一時刻，在新疆的阿勒泰和塔城，中國天文學家組織了一支60人的觀測隊伍，在看不到全食的地方一絲不苟地觀測，而且全部觀測都是在日出之前進行的。他們到底在觀測什麼？原來天文學家試圖通過觀察日出前發生日全食時天光的變化，對一項重要的歷史記載加以驗證，是國家「九五」重大科研項目「夏商周斷代工程」中的一項重要內容。
此前中國有確切的年代記載只能上推到公元前841年，即西周晚期的共和元年，能否根據古書中有關特殊天象的記錄，把確切年代上推至更久遠的時間就成為斷代工程的目標之一。因為天文學家能夠把前後萬年的日食、月食以及行星運動都精確地推算出來，而中國又保留著最悠久的天象記錄，如果能夠用現代天文學方法推算出古書中記錄的某次特殊天象發生的實際日期，就會為這個天象記錄確定時間的絕對參照點。這對於歷史斷代研究是極為重要的。
《竹書紀年》中有一段記載「懿王元年……天再旦於鄭」。我們知道懿王是西周從武王起算的第七位天子，但懿王元年究竟是哪一年卻無從得知。「鄭」是現在陝西省華縣一帶，而事件的關鍵就是「天再旦」，字面含義就是在陝西華縣，當天出現了兩次黎明。到底什麼樣的天象會讓當時的史官留下如此記錄？有學者推測是在鄭地黎明前出現的一次日全食，使得原本逐漸放亮的天空瞬時又暗下來，直到日全食結束，天空才第二次放亮，感覺是當天有兩次黎明。但由於這種推測沒有經過實地觀測的證明，所以要以此作為「斷代」的論據，天文學家迫切希望親歷一次日出前的日全食。而1997年這次日全食，正好滿足實驗的條件，真的是「天賜良機」。
經過天文學家的實際觀測，交叉認證了日出前日全食的發生確實能夠產生「天再旦」的結果。根據當時的記錄，在天已大亮，太陽即將露出地平之時，天空忽然變暗，僅1分鐘時間天空就暗到出現許多星點的程度。最特別的是1997年恰逢著名的海爾-波普彗星回歸，觀測者在晨曦中清楚地看到彗星重現東方天空，如此的黑暗持續了兩分多鐘。隨後天空重新放亮，迎來帶食日出。天文學家的計算表明，「天再旦」的現象是非常罕見的，在地球上特定地點出現的機率大約為1000年一次。嚴謹的演算證明懿王元年這次「天再旦」發生的時間是公元前899年4月21日凌晨5時40分左右，所以懿王元年就是公元前899年。這個結論是夏商周斷代工程的重大突破。
來源：北京日報/陳冬妮（作者為北京天文館副館長） 圖據新華社
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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。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。1919年5月29日，愛丁頓成功地拍攝了一些最接近黑暗太陽的星星。經過多次計算，當天從普林西比島捕獲的這些恆星在天空中的位置將表明愛因斯坦的理論通過了驗證。 -
看日全食還能驗證廣義相對論?不信?讓月亮咬一口太陽試試!
食甚：食既以後，日輪繼續東移，當月輪中心和日面中心相距最近時，就到食甚。食甚是太陽被月亮遮去最多的時刻。生光：月亮繼續往東移動，當月面的西邊緣和日面的西邊緣相內切的瞬間，稱為生光，它是日全食結束的時刻。 -
日全食為何能驗證愛因斯坦廣義相對論?
還有一個常在日全食期間進行的經典觀測項目，就是驗證愛因斯坦廣義相對論預言的光線在太陽引力場中的偏折。其方法是在拍攝黑太陽及其周圍的恆星照片，再與半年前或者半年後夜間拍攝的這些恆星照片，比較這些星星的角距離是否有變化。若引力會造成光線偏折，則星光從太陽旁邊通過是會略為改變方向。 -
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
所以愛因斯坦認為只有日全食的時候才能證明自己理論的正確性。愛因斯坦提出有質量的物體可以彎曲周圍的時空這一結論是在1912年，而下一次日全食則是在1914年8月21日。於是愛因斯坦給全球著名的天文臺寫信尋求幫助，希望他們可以去拍攝日全食的照片，然後分析日全食時太陽背後的天體光線的偏移位置以驗證自己的理論。幾個月過去了，天文臺對愛因斯坦的來信保持了沉默，或許天文學家都太忙了。 -
【科學】世紀大發現!廣義相對論最後預言──重力波──終被證實
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給最美的廣義相對論找找「茬」
他們一直在對愛因斯坦的廣義相對論進行檢驗。愛因斯坦在整整100年前第一次提出了廣義相對論，它解釋了引力是什麼。科學家們一直沒有發現它存在任何不足之處，但卻仍在調查根據它做出的預測，精確到第n位小數。在該理論100周年之際，科學家會做一些特別嚴格的驗證。也許會有人發現這座非凡數學大廈的第一個微小缺陷。 -
百年前日食驗證廣義相對論,改變了人類對宇宙的認知!
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愛因斯坦的廣義相對論是什麼理論?
簡單來說，愛因斯坦在一百多年前創立的廣義相對論是一種引力理論，描述宇宙中天體的引力作用。關於引力理論，我們最早接觸到的是牛頓在17世紀提出的萬有引力定律。那麼，愛因斯坦的引力理論與牛頓的有什麼區別呢？直到20世紀初，愛因斯坦提出了廣義相對論，水星近日點進動問題才得到完美的解釋。根據廣義相對論，空間不像牛頓所描述的那樣是絕對平直的，而是會在質量和能量的作用下發生彎曲。在彎曲的空間中，天體與光都會沿著測地線運動，由此表現出引力效應。 -
恆星運動軌跡證實愛因斯坦廣義相對論的預言
愛因斯坦在科學上的成就在百年來可以說無人可及。但是，因為超前的理論，其相對論自誕生以來一直被質疑。然而，隨著科學技術的發展，我們觀測宇宙的技術越來越先進，不管是尺度還是精度都日漸提高，相對論裡的理論也隨之一點點被所觀測現象證實。 -
日全食給科學帶來的那些事
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廣義相對論又被證實!恆星的運行與愛因斯坦的預測不謀而合
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這個定律現在還有效，並且運用與許多科學研究和實踐中。比如三個宇宙速度，就是根據引力定律換算出來的。根據這三個速度，人們才能夠發射出人造天體，脫離地球引力飛往太空。愛因斯坦廣義相對論揭示了引力的本質屬性。 -
100年前的這次日食,首次驗證了廣義相對論
來源：環球科學1919年5月29日拍下的日全食（圖片來源：F.W。 DYSON， A.S。 EDDINGTON， C。 DAVIDSON）今天，罕見的「金環日食」將在我國境內部分地區出現，你準備好觀看了嗎？對於物理學家來說，日食還是絕佳的「天然實驗室」，可以幫助他們驗證某些重要理論。 -
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
愛因斯坦這個預言在廣義相對論發表不久就被科學界所證實為了證實時空彎曲理論，1919年，英國皇家科學院派出以著名天文學家愛丁頓為首的兩支遠徵隊，一支趕到西非普林西比，一支到亞馬遜森林這兩個日全食最佳觀測地點，證實了愛因斯坦的預言。愛因斯坦預言，星光經過太陽邊緣時，會產生1.74角秒的偏差。但太陽光線太強，這點偏差平時根本無法驗證。 -
顛覆物理世界的廣義相對論
由於廣義相對論理論十分嚴謹，而且獲得了天文觀測上的證實，在問世後不久便引起了極大的轟動，現代物理學的大門從此正式開啟。時至今日，廣義相對論已誕生整整100年，廣義相對論不僅改變了全人類對時空乃至整個宇宙的認識，還大大推動了科學技術的發展。或許，直到現在你根本不清楚什麼是廣義相對論，但它的確已經深刻地影響了整個人類社會，直接或間接地影響了我們每一個人。 -
廣義相對論在當時幾乎無人能懂，後來是如何得到了世人的認可？
愛因斯坦作為一名科學巨匠被很多人所崇拜，他在1905年連續發表了5篇論文，提出了光量子的概念並創立了狹義相對論，之後也因他發現的光電效應獲得諾貝爾獎，而眾人對愛因斯坦崇拜的原因可能並不是因為他發現了光電效應，可是他在「廣義相對論」中的時空觀。在1916年，愛因斯坦在《物理學雜誌》上發表了《廣義相對論的基礎》，從而創立了「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
這恰恰是體現了他的偉大之處，愛因斯坦的理論過於超前，例如廣義相對論，以至於當時全世界幾乎沒幾個人能理解，儘管廣義相對論與1919年被驗證，但出於科學的審慎和嚴謹，愛因斯坦還是沒能再獲得諾貝爾獎。，於是德國天文學家歐文芬利和美國天文學家威廉坎貝爾去了俄國。 -
什麼是廣義相對論?通俗易懂,了解牛頓到底錯在哪裡了
它是基於由黎曼幾何和非歐幾裡得幾何等一系列計算，去確定物體的運動方程，這是一個動力學轉化為運動學的方程，最後的描述還是由運動學方程所決定的。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。 -
廣義相對論尚未完全證實:「難啃」的引力波
廣義相對論在1915年提出，因為比牛頓萬有引力更精確、優美，同時順利解釋了水星近日點的進動 (進動，一個自轉的物體受外力作用，導致其自轉軸繞某一中心旋轉，也叫做旋進。)，很快在物理界走紅。當然，是理論必須要得到證明和檢驗，之前我們曾介紹了「星光偏折」實驗，這被喻為是首次用實驗數據證實了廣義相對論 。