愛因斯坦最重要的理論,因為這次日食得到了驗證

編輯部王某 2020/06/27 檢舉 我要评论

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5月29日,英國科學家愛丁頓領導的日全食實驗就支持了愛因斯坦提出的廣義相對論。

現在看來,當年愛丁頓力挺愛因斯坦,讓廣義相對論「一戰成名」,也使愛因斯坦獲得了世界性的影響力。但是,有輿論認為,這個實驗是為了緩和一戰後英國與德國的關係,但當時的實驗精度不足以證明廣義相對論是正確的。這種看法合理嗎?當時是實驗又是如何開展的?

「只有3個人懂廣義相對論」

事情還要從愛因斯坦寫出愛因斯坦廣義相對論的引力場方程那時說起。

1915年,愛因斯坦寫出了 廣義相對論引力場方程,這個方程裡用到了當時很高深的數學——黎曼幾何。在這個過程中,愛因斯坦得到了數學家格羅斯曼與希爾伯特的幫助,基本上把這裡面的數學問題都搞清楚了——剩下沒解決的問題,就是需要用物理實驗來驗證這個理論的正確性了。

愛因斯坦開始宣傳自己的廣義相對論。這時的愛因斯坦在德國科學界已經有一定的知名度(因為1905年後德國科學宗師普朗克的大力推薦,愛因斯坦的學術地位飆升,這時已經從專利局職員變為大學教授),但當時的愛因斯坦在英、美等地還沒有學術影響力。

當時是第一次世界大戰期間,大戰從1914年一直打到1918年,整個歐洲元氣大傷。愛因斯坦提出的廣義相對論不但在數學上太難,而且世界觀看起來很奇葩,大家還沒功夫搭理。1916年,愛因斯坦把自己寫的德文版《廣義相對論基礎》單行本給了交給了他的朋友,荷蘭萊頓大學的德西特教授。因為荷蘭在戰爭期間是中立國,而德西特教授是英國皇家天文學會的秘書,所以德西特轉身把論文寄給了英國劍橋大學的愛丁頓教授。

亞瑟·愛丁頓

愛丁頓教授當時是英國皇家天文臺的台長。儘管還不認識愛因斯坦,但他一眼就看出,這篇論文如果是正確的話,那麼它具有劃時代的意義。但當時英國反德情緒嚴重,無法發表一篇德文報告,於是愛丁頓就讓德西特寫了一系列文章來介紹愛因斯坦的理論,並發表在皇家天文學會的會刊上。

愛丁頓看了英文版的愛因斯坦的論文,終於懂了愛因斯坦的思路。

有一天記者去採訪他,問道:「聽說世界上只有3個人懂愛因斯坦的廣義相對論,請問是誰?」

愛丁頓反問道:「除了我,還有誰?」

愛丁頓確實看懂了愛因斯坦的論文。其實在1916年,德國有一個叫史瓦西的天文學家也看懂了愛因斯坦的廣義相對論,並且解出了愛因斯坦的引力場方程的靜態球對稱解,這個解可以精確 描述太陽附近的引力場

光線本來是沿著直線傳播的,但是,在彎曲時空中,光線也會偏折——類似於光線在水面附近的折射,遠方的星光在路過太陽的時候會被太陽的引力場所彎曲,而這是可以做實驗檢驗的。

計算光線偏折

愛因斯坦其實早就覺得引力場會彎曲光線了,他從1911年開始就做了很多計算,後來不斷完善,終於在1916年廣義相對論成形的時候得到了完整的 光線被引力場偏折的理論。

簡單地說,愛因斯坦的廣義相對論把時間與空間放在一起,組成了一個彎曲的四維時空,而引力等價于時空的曲率。光線是在這個彎曲時空中的一條類光測地線。

因此,這背後的數學是很清晰的,主要就是黎曼幾何學中的測地線方程。

當時,對於一般的彎曲時空,這個測地線方程是很難求解的。但是,如果是在史瓦西時空中,那麼光線的偏轉角是很容易求出來的。與太陽很靠近的光線,其偏轉角可以用廣義相對論算出來:

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