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1919年日全食观测与广义相对论的初步验证秒速赛

发布时间:2017-12-30

  1914年8月东欧的日食是一次很好的机会,这次日食带是从东欧的西北到东南。年轻的德国天文学家Erwin Freundlich,决定再作尝试,验证爱因斯坦理论。首先是遇到严重的经费上的困难,惊动了爱因斯坦。爱因斯坦提供自己的并不富余的经费,Freundlich又与其他国家的天文学家联系,寻求合作,以取得经费上的支持。他得到唯一的支持来自美国天文学家坎普贝尔(Campbell) 和美国里克天文台组成的观测队。后来,柏林科学院也提供额外的经费支持。

  几个月后,观测队回到英国。3个观测设备的观测资料处理的结果并不完全相同。在普林西比观测的照片的结果是平均为1.61±0.30 角秒, 巴西的天体照像仪的结果是0.93 角秒, 小的望远镜的照片的结果是1.98±0.12角秒。爱丁顿思考这些不完全一样的观测结果,都与爱因斯坦理论1.75角秒的预言不完全相同。小望远镜的视场比较大,可以给出更精确的测量结果,因为星光偏折的程度随恒星距离太阳边缘远近而变化。相对论效应的确认需要非常精确的测量。

  1915年是爱因斯坦的另一个“奇迹年”,他在这一年完善了他的广义相对论。不过直到这时候,爱因斯坦的名声还基本上是限于科学界。使他在公众中间名声鹊起的,是1919年日全食观测验证了广义相对论关于经过太阳时光线年爱因斯坦预言,当恒星的光非常接近太阳时,因为太阳的引力将会有一个小小的偏离,并第一次提出这种恒星光线年他就提出了引力透镜的概念,1936年正式预言引力透镜的存在,即大质量天体会产生像玻璃透镜一样使光线年的两个预言根据的是同一个科学原理。1915年爱因斯坦的广义相对论发表,并计算出星光在穿过太阳附近时所产生的偏折角度为1.75角秒。这就是广义相对论的“光线偏折”的预言。科学家对爱因斯坦预言的反应是很不相同的,相信的少,怀疑和反对的多。爱因斯坦虽然对自己的理论信心百倍,但怎样才能被广泛接受呢?唯一的办法是用观测来证实,即在日全食的时候观测太阳周边的恒星位置,大家都期待着尽快看到观测结果。

  为了证明广义相对论的正确,爱因斯坦求助于天文学观测,提出了三个可以用天文学观测来验证的广义相对论效应。首先爱因斯坦用广义相对论解决了长期悬而未解的水星近日点附加进动问题,计算结果与观测符合得很好;第二个效应是预言了光线在太阳引力场中会弯曲;第三个是预言恒星发出的光谱谱线由于强大引力的作用会使其波长变长,也就是发生引力红移。果然,经过科学家们的努力,爱因斯坦的这几个预言都得到了验证,广义相对论也成为一门新兴的学科。

  亚瑟斯坦利爱丁顿爵士是英国著名的天文学家、物理学家,1882年12月28日生于肯德尔,1944年11月22日去世。他16岁时即考进曼彻斯特大学前身的欧文学院,23岁毕业于剑桥大学三一学院,1906年到格林尼治天文台工作,1913年任剑桥大学天文学教授,1914年后兼任该校天文台台长。1920年,爱丁顿把爱因斯坦著名的质能关系应用于恒星能源的研究,提出太阳的能量来源于太阳内部的原子核反应。1923年他出版了《相对论的数学原理》一书,该书被爱因斯坦誉为该领域的最佳作品之一。爱丁顿博学多才,天文、物理和数学门门精通,出类拔萃,先后担任英国皇家天文学会会长、英国物理学会会长、英国数学协会会长尤其在天文学方面的贡献更突出,从1938到去世的1944年担任国际天文学联合会主席之职。

  1919年5月29日的日食,始于智利和秘鲁的接壤处,越过南美,经过大西洋,然后到非洲的中部。都离赤道不远。但是,全食延续时间最长的地方是在大西洋中,离利比里亚海岸几百公里的地方。虽然战争已经在1918年11月结束,秒速赛车但一切都很混乱。观测队必须提前到达观测点做各种准备。旅游部门提醒,到普林西比岛最好的时间是6月到9月,其他时间都是闷热。爱丁顿观测队于1919年4月下旬到达普林西比岛,在闷热天气、暴雨袭击和蚊虫叮咬的困难条件下做各种各样的准备工作。一切的准备就为了那下午2:15开始的5分钟的观测。

  爱丁顿与戴森多次讨论后,对3个观测结果的重要性给出评判,用加权平均的方法给出偏离1.64角秒的结果,与爱因斯坦的预言很接近。爱因斯坦得知日食观测的结果,迅速给病中的母亲报告英国日食观测队证实了光线经过太阳时发生了偏离的好消息,并说,“我从来没有想过会是别的结果”。1919年11月戴森教授在皇家学会和皇家天文学会上宣布:观测结果支持爱因斯坦的理论。伦敦《泰晤士报》于11月7日发出头版头条新闻“科学革命:牛顿的思想被推翻。”但是,还是有不少人怀疑他们发表的结果,甚至散布发表的日食观测结果是“经过爱丁顿的烹调”。为此,戴森公开了原始底片的拷贝。

  1915年爱因斯坦又完成广义相对论,非常完美地把相对论理论推广到普遍的情况。但是,其观念之新,数学方法之难,让人们难以理解。当时,牛顿的万有引力理论已经深入到物理学和天文学的各个研究领域,被认为是正确无误的。1919年日全食观测与广义相对论的初步验证秒速赛车开奖结果:可是,广义相对论却认为,万有引力不是一般的力,而是时空弯曲的表现。比如牛顿力学认为月球绕地球运转是因为月球受到地球引力的吸引,但广义相对论则认为是地球的质量扭曲了附近的时空,月球在弯曲时空以最自然的方式运行,走出了一条绕地球运转的曲线。就如火车沿铁轨运行一样,当铁轨变弯曲后,火车自然沿弯曲的铁轨运行。这种全新的观念,不仅很难被普通人所理解,当时连很多物理学家都加以反对。

  虽然在同一个地点看到日全食的机会很少,但是就全地球来说,大致每三年可以发生两次日全食,因此天文学家有不算太少的机会验证星光是否会因太阳的影响而弯曲。在爱因斯坦这个预言提出以前,天文学家已经进行过很多次的日全食观测,留下了不少日全食时拍下的太阳方向的星空照片,这些照片就像在夜晚拍摄的天空照片一样。一些学者利用过去的日食期间拍到的恒星位置来寻找恒星的光线偏折的证据,结果很不理想,不能明确地支持爱因斯坦预言的光线偏折理论。当时怀疑广义相对论的学者比较多,他们就匆忙下结论说,观测并不支持爱因斯坦的预言。其实,以往的日食观测资料是不适宜用来检验的,因为日食观测时要使望远镜跟着太阳走,而不是跟踪要观测的恒星。由于太阳的视运动和恒星的视运动速度稍有差别,导致日食时拍下的照片上恒星的图像比较模糊,不可能给出精确的位置。

  爱丁顿本人深信广义相对论的正确的,但是,当时有非常多的学者不相信,最好的办法只能是用实实在在的观测事实向世人证明广义相对论的正确性。爱丁顿对1919年的日食特别重视。由于第一次世界大战英国和德国是交战的双方,在一段时间里,英国人强烈反对德国的一切,而爱丁顿是一位和平主义者,他拒绝参战,但乐意自愿地帮助那些受难的平民。他由于和平主义观点而受到激烈的攻击,被当局视为要被监视甚至关押的对象。他深感由他出面申请1919年的日食观测是不合时宜的。

  这时,英国天文学家戴森(Dyson)提出一个组织日食观测队的计划。他指出,1919年的日食提供给英国天文学家一个检验爱因斯坦理论正确与否的理想机会,在这次日食时,太阳将接近毕星团(Hyades)中的比较亮的恒星。毫无疑问,这是爱丁顿的促进的结果。戴森也是一位著名的天文学家,1889年毕业于剑桥学院,终生在英国皇家天文台工作(格林尼治和爱丁堡天文台),他参加过自1900年以来的多次日食观测,是具有十分丰富的观测经验。政府批准了他的申请,并通知爱丁顿,不管他是否愿意,他必须参加戴森的日食观测队,这是对爱丁顿坚持和平主义观点的“惩罚”。爱丁顿喜出望外,忠实地执行这个“最后通牒”。按照计划,英国派出两支日食观测队,一支到南美洲巴西的索贝瑞尔(Sobral),由戴森亲自领队;一支到非洲西岸的普林西比岛(Principe),由爱丁顿领导。观测队各携带一台33厘米口径的天体照像仪,巴西观测队还多带了一台10厘米口径的光学望远镜。

  在对爱因斯坦的广义相对论持怀疑和反对的天文学家中,美国坎普贝尔教授最有代表性。但他是一位相信“观测事实是判断理论是否正确的”的科学家,参加过多次以检验爱因斯坦理论为目的的日食观测,他的怀疑也是因为他自己没有找到“证据”。1922年,他又一次为观测日食来到澳大利亚,周密地准备使观测精度有了提高。得到了1.72±0.11角秒的结果。坎普贝尔曾经公开表示,爱因斯坦理论是错误的,但是当他的观测结果证实了爱因斯坦理论的正确性,立刻承认他的过失,决不再反对广义相对论了。在人们的心目中,坎普贝尔仍然是一位真正的科学家。应该说,爱因斯坦关于“太阳的引力可能引起恒星光线偏折”的预言的正确性是以坎普贝尔1922年的观测和承认才使科学界完全信服。

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