上次說(shuō)到第一次世界大戰(zhàn)把可以證明相對(duì)論的機(jī)會(huì)白白的給浪費(fèi)掉了。 好幾位天文學(xué)家都忙著去世界各地觀察日全食,他們選了好幾個(gè)觀測(cè)地點(diǎn)。一個(gè)在美國(guó)加州,一個(gè)在南美,還有一個(gè)在俄國(guó)。他們沒(méi)有預(yù)料到戰(zhàn)爭(zhēng)一觸即發(fā),去了俄國(guó)的那批人剛到,幾個(gè)國(guó)家就相互宣戰(zhàn)了。 俄國(guó)人一看這幫家伙帶著稀奇奇古怪的觀測(cè)儀器,有的還長(zhǎng)槍短炮的都扛上了,還有照相底片,再看每個(gè)人都顯得賊眉鼠眼,說(shuō)不定是敵方派來(lái)的特務(wù),先關(guān)起來(lái)再說(shuō)!于是去俄國(guó)的那一支遠(yuǎn)征隊(duì)就被關(guān)了起來(lái)。 另外兩支遠(yuǎn)征隊(duì)運(yùn)氣也不咋地,南美那邊兒天氣不好,日食當(dāng)口,滿天烏云。這樣就只剩下美國(guó)加州那邊的或許還有點(diǎn)希望。結(jié)果老天爺依舊不給力,緊要關(guān)頭,一片云彩偏偏把太陽(yáng)遮住了,日食一結(jié)束,云開(kāi)霧散,晴空萬(wàn)里。 第一次嘗試證明相對(duì)論的努力就此宣告結(jié)束。 咱們?cè)賮?lái)說(shuō)相對(duì)論,水星進(jìn)動(dòng)的問(wèn)題是解決了,可是廣義相對(duì)論要求時(shí)空是可以彎曲的,一切物體都要沿著時(shí)空中的測(cè)地線(測(cè)地線實(shí)際上就是三維曲面上兩點(diǎn)間的最短連線)走,這一切物體,其中當(dāng)然就包括了光。 比如說(shuō),如果有一個(gè)大質(zhì)量的星球,那么遠(yuǎn)方的天體發(fā)出的光經(jīng)過(guò)這個(gè)星球附近的時(shí)候,就可能發(fā)生偏折。這件事在牛頓力學(xué)里可是想都別想,人們一直都認(rèn)為光在真空中永遠(yuǎn)走直線。不過(guò)如果我們把牛頓引力公式和狹義相對(duì)論放在一起,其實(shí)也可以預(yù)言光線的彎曲。狹義相對(duì)論的質(zhì)能方程說(shuō)質(zhì)量就是能量,那也可以說(shuō)能量就是質(zhì)量。 E=MC^2,光沒(méi)有靜止質(zhì)量,但是可以有能量。 如果我們強(qiáng)行用光子的能量除以c2,也會(huì)得到一個(gè)光子的“運(yùn)動(dòng)質(zhì)量”,就是光子的動(dòng)量,光子這個(gè)時(shí)候就好像是一個(gè)有質(zhì)量的物體一樣。有了質(zhì)量,就可以被吸引,牛頓引力理論就足以讓光偏轉(zhuǎn)了。那還要廣義相對(duì)論干啥呢? 愛(ài)因斯坦就是如此幸運(yùn),廣義相對(duì)論預(yù)言的光線偏轉(zhuǎn),是“牛頓引力+狹義相對(duì)論”預(yù)言結(jié)果的兩倍!到這里,我們得出了三個(gè)結(jié)論: 牛頓力學(xué):光永遠(yuǎn)走直線 牛頓引力公式+狹義相對(duì)論:光線會(huì)被偏轉(zhuǎn),但偏轉(zhuǎn)的程度較小 廣義相對(duì)論:光線會(huì)被偏轉(zhuǎn),而且偏轉(zhuǎn)的程度較大 現(xiàn)在只差一個(gè)觀測(cè)驗(yàn)證??墒堑侥睦镎夷茏尮饩€明顯偏轉(zhuǎn)的大質(zhì)量的天體呢?月亮倒是經(jīng)常跟星星在一起,但是月亮的引力不足以偏轉(zhuǎn)星光,效應(yīng)根本看不出來(lái),別的大質(zhì)量天體都距離我們太遠(yuǎn)。當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家唯一能指望的就是太陽(yáng)了。 這個(gè)思路好是好,可問(wèn)題在于太陽(yáng)太亮,周圍的星光都被太陽(yáng)給掩蓋住了。但是天文學(xué)家們想到一個(gè)極端的情況——日全食。日全食的時(shí)候,月亮?xí)臀覀儞踝√?yáng)光,使得我們能看見(jiàn)太陽(yáng)周圍的星光。那如果我們事先算一算這個(gè)時(shí)候有哪些星星應(yīng)該在太陽(yáng)背后,你本來(lái)應(yīng)該看不見(jiàn),結(jié)果卻在太陽(yáng)周圍看見(jiàn)它們了,這不就說(shuō)明太陽(yáng)彎曲了星光的路線嗎? 愛(ài)因斯坦1916年計(jì)算出光線彎曲的正確結(jié)果,然后1919年5月29日,就有一次日全食。那時(shí)候第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束,亂糟糟的社會(huì)總算可以安穩(wěn)下來(lái)了。德國(guó)戰(zhàn)敗,1919年,各國(guó)首腦在法國(guó)凡爾賽宮舉行巴黎和會(huì),討論戰(zhàn)后處置的問(wèn)題,美國(guó)總統(tǒng)、法國(guó)總理、英國(guó)首相,各自帶著地理學(xué)家開(kāi)始重新劃分歐洲的版圖。德國(guó)在山東的權(quán)益給了日本,直接導(dǎo)致中國(guó)國(guó)內(nèi)爆發(fā)五四運(yùn)動(dòng)。 這一年,對(duì)愛(ài)因斯坦也是至關(guān)重要的一年。這是一次驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的絕佳機(jī)會(huì)。上次去俄國(guó)的那隊(duì)人馬被戰(zhàn)爭(zhēng)給攪黃了,另外的隊(duì)伍也沒(méi)看到老天爺?shù)暮媚樕@一次可千萬(wàn)不能再錯(cuò)過(guò)了! 英國(guó)著名的天文學(xué)家、物理學(xué)家愛(ài)丁頓開(kāi)始組織遠(yuǎn)征隊(duì)到非洲和巴西去觀測(cè)日全食。 愛(ài)丁頓爭(zhēng)取到這次機(jī)會(huì)也相當(dāng)不容易,首先說(shuō)英國(guó)沒(méi)有多余的經(jīng)費(fèi),再說(shuō)英國(guó)民眾也不愿意,英國(guó)跟德國(guó)剛剛打了一仗,不知道多少人死在了德國(guó)人手里,這事兒沒(méi)那么容易解決。 況且英國(guó)和德國(guó)科學(xué)界一直關(guān)系不怎么樣,這是老祖宗牛頓和萊布尼茨當(dāng)年結(jié)下的梁子,愛(ài)丁頓居然要證明英國(guó)偉大的牛爵爺錯(cuò)了,你還想不想在英國(guó)待著了?但是,科學(xué)是沒(méi)有國(guó)界的,真理是不分國(guó)籍的。 就這樣,愛(ài)丁頓忙前忙后,組織大隊(duì)人馬就去了非洲的普林西比,同時(shí)另外一支遠(yuǎn)征隊(duì)去了南美的巴西。 1919年的這一次日食的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)六分多鐘,這老天爺可是給足了面子,兩個(gè)遠(yuǎn)征隊(duì)都拍攝了不少照片??墒钦掌治龅倪^(guò)程卻很漫長(zhǎng),好幾個(gè)月都沒(méi)結(jié)論。 到了1919年11月6日,英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)舉行聯(lián)合會(huì)議,正式宣布了愛(ài)丁頓的觀測(cè)結(jié)果及結(jié)論。會(huì)議由電子的發(fā)現(xiàn)者、皇家學(xué)會(huì)主席、著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家湯姆遜主持。 在巨幅的牛頓畫(huà)像前,非洲觀測(cè)隊(duì)的領(lǐng)隊(duì)戴森報(bào)告了觀測(cè)結(jié)果,在仔細(xì)研究了照相底片之后,他認(rèn)為這些底片毫無(wú)疑問(wèn)地證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言,愛(ài)丁頓的團(tuán)隊(duì)真的看到了原本不該出現(xiàn)在太陽(yáng)周圍的幾顆星。 最后的測(cè)量結(jié)果與牛頓引力理論計(jì)算的結(jié)果偏離較大,愛(ài)因斯坦的理論符合的較好,因此愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論勝出。 第二天一早,各大報(bào)紙的頭條消息便引爆了公眾輿論。英國(guó)泰晤士報(bào)的報(bào)道用了個(gè)通欄標(biāo)題《科學(xué)革命 —— 關(guān)于宇宙的新理論 —— 牛頓思想被推翻》愛(ài)因斯坦一夜成名。 現(xiàn)在回頭看廣義相對(duì)論被世界接受的這段歷史,我們不能不承認(rèn),愛(ài)因斯坦的運(yùn)氣實(shí)在是太好了。首先是1919年這次日全食,愛(ài)因斯坦的計(jì)算結(jié)果剛出來(lái)三年,就趕上了日全食。要知道,下一次有日全食得等到1937年6月8日。如果愛(ài)因斯坦動(dòng)作稍慢一點(diǎn),或者愛(ài)丁頓未能促成這次觀測(cè),相對(duì)論搞不好就得再等上足足18年才能被人接受。 而據(jù)考證,這一次日全食發(fā)生的時(shí)候,太陽(yáng)周圍正好是畢宿星團(tuán)的星星,這個(gè)星團(tuán)特別亮!等到下一次,還不知道有沒(méi)有這么強(qiáng)的星光讓天文學(xué)家們測(cè)呢。 更巧的是,愛(ài)丁頓選擇的這兩個(gè)觀測(cè)地點(diǎn),在日食發(fā)生前后都是下雨的天氣。巴西那個(gè)地方在日食當(dāng)天早上還是多云,可是在日食發(fā)生前一分鐘,天空中太陽(yáng)那個(gè)位置的云居然散開(kāi)了。非洲那個(gè)地方也有云,也是恰好在日食期間讓太陽(yáng)露出來(lái)一小會(huì)兒。 不論如何,愛(ài)因斯坦配得上所有這些幸運(yùn)和榮譽(yù)。但是,愛(ài)因斯坦最大的幸運(yùn),是他生在了那個(gè)時(shí)代的歐洲。 天文學(xué)家之所以能在1856年(大清咸豐六年)發(fā)現(xiàn)水星運(yùn)動(dòng),是使用了從1697年(大清康熙三十六年)到1848年一百五十年的水星活動(dòng)記錄。這個(gè)發(fā)現(xiàn)相當(dāng)不容易,水星的軌道幾乎就是一個(gè)圓形,那些古代的天文學(xué)家首先得準(zhǔn)確的判斷出這個(gè)橢圓的長(zhǎng)軸在哪里,然后還得記錄這個(gè)長(zhǎng)軸的變化。 然后他們還能精確計(jì)算金星和地球引力對(duì)水星軌道的影響,最后得出一個(gè)非常非常小,但是無(wú)比堅(jiān)定的,跟牛頓力學(xué)的差異。而且那時(shí)候可沒(méi)有什么計(jì)算機(jī)。 想想相對(duì)論的歷史,你肯定會(huì)感嘆“愛(ài)因斯坦不可能這么幸運(yùn)!”現(xiàn)在廣義相對(duì)論既然被接受了,咱們下一次再聊愛(ài)因斯坦說(shuō)的第三件事。 “科學(xué)大嘮嗑”是悅讀讀書(shū)會(huì)新增添的一個(gè)欄目,每周更新一次,作者是書(shū)友們所熟悉的“牧羊人”張喆老師。他曾組織過(guò)我們讀書(shū)會(huì)開(kāi)展天文線下活動(dòng),也是《時(shí)間簡(jiǎn)史》、《上帝擲骰子嗎?》的領(lǐng)讀者。對(duì)于天文愛(ài)好者,此欄目是一個(gè)相當(dāng)大的福利。對(duì)天文還未有過(guò)了解的書(shū)友們,這也是一次增長(zhǎng)天文知識(shí)的機(jī)會(huì)。期待張老師下一次更新! |
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