广义相对论是怎么被证明的?
投稿:kx   信息来源:   日期:2015年10月15日     【字体: 】【打印】【关闭

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    广义相对论是爱因斯坦在1915年提出来的一个精确描述牛顿万有引力的理论。这个理论比牛顿万有引力更加优美,也更加精确。

    当时正值第一次世界大战期间,爱因斯坦在德国提出了这个理论。

    因为这个理论可以解释水星近日点的进动,所以大家对这个理论还是有点相信的,但物理学家需要找到更多的证据来判断此理论是否正确。(进动,一个自转的物体受外力作用,导致其自转轴绕某一中心旋转,也叫做旋进。)

    星光偏析实验

    于是,1919年,第一次世界大战结束的时候,马上有几个英国物理学家投入到了检验广义相对论理论的实验之中,这个实验就是星光偏折实验。

    星星,在夜空中眨着眼睛。其实,这些我们人类肉眼能看到的星星,至少离我们地球有几光年甚至更远。

    那 么远的距离,对地球人来说,星星发过来的光就是一束平行光线。但是,因为地球是在太阳的引力场中运动的,所以我们可以使用广义相对论的语言:这束平行光线 也是一根“类光测地线”。因为广义相对论使用的数学工具是微分几何学,所以测地线的方程很容易用微分几何的语言写出,因此可以从数学的角度来描述星光在引 力场中的运动轨迹。

    那么,星光偏折又是怎么回事情呢?

    原来,在广义相对论中,引力场的存在被等价为时空的弯曲,所以,光线在太阳的引力作用下走出来的这条“类光测地线”在空间上看起来就是弯曲的——这非常像一根筷子插在有水的杯子里,在水面附近筷子好像折断了,这是光的折射现象。星光偏折也类似一种光的折射现象。

 

    那么,如果物理学家能测量出星光被太阳的引力场偏折了多少,就可以来检验爱因斯坦的广义相对论到底正确不正确了。

    在日全食下观测星光偏折

    当时相信爱因斯坦广义相对论的物理学家凤毛麟角,很多人不懂他的理论,因为这个理论对数学要求太高,而且在物理上很反传统。所以,1919年,这个实验刚开始的时候,很多外行物理学家对实验能结果的看法可谓莫衷一是。

    这个实验应该怎么做呢?

    我们可以把地球绕太阳的运动看成一个椭圆,那么,某颗恒星与地球的连线交这个椭圆于两个点,我们可以在这两个点上拍摄星星的照片,然后把这两张照片进行对比。(这两点,一个点是地球在太阳与恒星之间,另外一个点是太阳在地球与恒星之间,位置关系是不同的。)

    当太阳在地球与恒星之间的时候,太阳光线太亮,恒星发的光会被太阳光淹没,根本就测不出来。所以,需要找到日全食的时候,这个时候太阳光不见了,恒星发的光可以在地球上拍照拍出来。

    为了进行1919年的日全食观测,英国的物理学家们共准备了三架望远镜,包括两架10英寸口径的,一架4英寸口径的备用望远镜。

    爱丁顿带领的剑桥大学小组在非洲西岸的普林西比岛(Principe)使用一架10英寸的,克罗姆林带领的格林威治天文台小组在巴西的索布拉尔(Sobral)使用另两架。

    由于云彩的影响,爱丁顿小组获得的数据不多,只有两张可用的底片。而且,因为当地轮船公司即将罢工,他们只好提前离去,所以他们缺乏在当地拍摄的同一高度同一天区的对照底片。最后爱丁顿拍了一张另一天区的照片,然后在英国拍摄对照底片。

    克罗姆林小组的10英寸望远镜是在夜间对好焦距的。当早晨发生日食时,由于温度已经升高,热胀冷缩导致望远镜对焦不准,因此星象大多不清晰。

    4 英寸望远镜得到的底片效果则比较好。4英寸望远镜底片上共有7颗可用恒星,得到的偏折角是1.98 角秒;爱丁顿小组10英寸望远镜上有5颗可用星,得到的结果是1.61 角秒。这两组数据是当时爱丁顿等人公布的数据,具体数据到底有没有被动手脚,科学史上存在一定的争议。

    根据广义相对论,远处恒星发出的光线经过大质量的天体如太阳时,由于引力的作用将发生偏折;日全食期间,太阳被遮蔽,这时拍摄的恒星,与平时在夜间拍摄的同一天区的恒星进行比对,会发现星体的位置发生变化。

    实际测量的时候,不同的恒星偏折角不同。通过数据拟合,给出在太阳边缘处的偏折角。在建立完整的广义相对论后,爱因斯坦计算发现在太阳边缘处星光的偏折角是1.74角秒。

    所以,爱丁顿等人公布的数据与爱因斯坦计算出来的数据是接近的。这意味这什么?

    这意味这爱丁顿等人的实验是支持广义相对论的。

    这对爱因斯坦后来在全世界声名鹊起,起到了十分重要的作用。后来有人还把这个事情拍摄成一部电影,叫做《爱因斯坦与爱丁顿》。

 

 

 

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