爱因斯坦广义相对论是如何被验证的

作者: Hanoch Gutfreund

来源: 赛先生

发布日期: 2022-05-19 17:58:36

本文详细介绍了爱因斯坦广义相对论的提出及其通过1919年日食观测得到验证的过程。文章还讨论了狭义相对论和广义相对论的基本原理,以及这些理论如何改变了我们对空间、时间和引力的理解。

阿尔伯特·爱因斯坦在1915年完成了他的广义相对论。这一理论改变了我们对艾萨克·牛顿所创立的空间、时间和引力概念的认识。广义相对论预测出,由于太阳的引力以及空间和时间的性质,从遥远的恒星射向我们的光线在经过太阳附近时会发生弯曲。对这一现象进行的天文观测证实了这个预言。这个结果发表后,在科学界和公众中引起了极大的轰动,爱因斯坦在一夜之间成为了超级巨星。

1919年11月7日,英国《伦敦时报》发表了一篇震惊全世界的新闻文章,标题为“科学的革命——新的宇宙理论——牛顿的观点被驳倒”。这篇文章报道了同年早些时候两支探险队进行的天文观测结果,一支位于非洲西海岸附近的普林西比岛,另一支位于巴西的索布拉尔市。这两个地方,可以在同一天观察到同一场日全食。这些观测意在检验爱因斯坦广义相对论的预测之一。

爱因斯坦声称,来自遥远恒星的光线会在它们经过太阳前往地球的途中弯曲。

1905年是犹太裔德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦科学生涯中最富有成效的一年。在这一年,他提出了狭义相对论。这个理论基于两个假设:首先,该理论仅适用于以相对恒定速度运动的系统。第二个假设则是,光的传播过程与其他物体的运动行为是不同的。光速始终是恒定的——它不依赖于光源的速度或观察者的速度。

狭义相对论有两个主要的局限性:第一,该理论只涉及匀速运动的系统;它没有考虑加速运动。第二,狭义相对论没有考虑万有引力,也就是使月球在围绕地球的固定轨道上、使行星在围绕太阳的轨道上平稳运行的向心力。在完成了狭义相对论之后,爱因斯坦开始寻找一种能够摆脱这两个限制的理论。经过10年的探索,他最终提出了广义相对论。

1919年5月29日,研究人员终于获得了另一次机会。

那时,爱因斯坦已经完成了广义相对论的创建,并据此预测出,最终的光线弯曲程度比他之前假设的结果大一倍。如前所述,这些观测数据来自于索布拉尔和普林西比两个地方。

在利用当时仅有的资源对观测结果进行了几个月的分析之后,探险队的负责人阿瑟·爱丁顿和查尔斯·戴维森,以及皇家天文学家弗兰克·戴森爵士宣布:“索布拉尔和普林西比的观测结果几乎毫无疑问地表明,太阳的确能够弯曲周围的光线,而且其曲率与爱因斯坦的相对论所给出的结果一致”。广义相对论的这项预测,被两个相距甚远的地点的独立测量所证实,极大程度地说服了科学界相信这个理论的正确性。

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