爱因斯坦的相对论是如何被验证的?到现在全部获得验证了吗?

爱因斯坦的相对论提出了一种解释引力的新方法。当时的流行理论牛顿万有引力定律把引力描述为大质量物体之间的一种力,认为没有质量的光不会受到引力的影响。爱因斯坦两次反驳了这一预期——首先,他通过著名的方程E=mc2证明了光会受到重力的影响,因为光有能量;然后他建立了广义相对论,认为重力实际上导致了时空的弯曲,提出了时空涟漪的概念。根据爱因斯坦的理论,光会遵循这条曲线运动,所以受到重力的影响,不管它有没有质量。

在爱因斯坦的广义相对论中,可验证的命题是,光,像任何物质物体一样,在穿过一个巨大物体如太阳的引力场时被弯曲如果爱因斯坦是正确的,那么经过太阳附近的星光在到达地球时会沿着一条弯曲的路径运动,因此,如果地球上的人在白天观察一颗恒星,这颗恒星的位置应该与在夜间观察时略有不同。为了验证这个猜想,爱因斯坦提出,在一次全日食期间拍摄到的与太阳附近恒星的照片(因为太阳光会掩盖受影响的恒星的光线,只有在日全食时才有可能拍摄到),可以与在另一个时期拍摄的相同恒星的位置相比较。

1919年5月29日的日全食给了科学家们第一次检验这一理论的机会,英国皇家学会和英国皇家天文学会指派了两个天文学家小组前往全日食发生的地点观察,亚瑟·爱丁顿率领一支科学考察队前往西非赤道几内亚海岸外的普林西比岛,另一个组前往巴西北部的索夫拉斯观察。

爱丁顿是极少数理解爱因斯坦理论含义的人之一,他的任务是在一个晴朗夜晚拍摄被称为“Hyades”的星系团,然后在日全食期间再次拍摄Hyades星系团,这两组照片在两个不同时间的对比结果,要么证明爱因斯坦的理论是错误的,要么证实了他的理论。

日食那天的天气很差,上午大部分时间都在下雨,但就在日食之前天空放晴了,日食完全可见,可以用位于太阳背景下的Hyades拍摄照片。爱丁顿拍了16张照片,照片冲洗后用于提供恒星光偏转的测量。前往巴西索夫拉尔的探险队在晴空万里中观测到了日食,但是拍摄地点太热使设备精确度下降,这导致了对日食照片底片的测量无效。1919年11月6日,在英国皇家学会和英国皇家天文学会的联合会议上,爱丁顿展示了他的探险成果,这些照片证实了Hyades星光在太阳引力场中发生了偏转,测量结果几乎与爱因斯坦的预测一致。

尽管爱丁顿的观测质量与后来的观测相比较差,但它们足以说服大多数当代天文学家,并在当时被誉为广义相对论对牛顿万有引力定律的决定性证明。爱因斯坦的广义相对论随后在一次又一次的日食中以越来越高的精度被证实,后续还包括引力红移,黑洞,钟慢效应,引力波等等都是对爱因斯坦相对论的验证。

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  • 发表于 2022-01-13 16:34
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  • 分类:科学