爱因斯坦是如何发现光线弯曲的?广义相对论是正确的,原因在这里

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当光线经过一个大块物质会发生什么事情?它是否简单地、不偏离原路径地沿着直线继续行进?它是否会由于附近物质的重力效应而受到一个力?如果是的话,那它所受的力的大小是多少?

这些问题直截了当地点中重力的运作原理。今年,2019年,是纪念广义相对论被证实100周年。1919年5月29日发生日全食时,两支独立的队伍成功地测量了太阳边缘附近恒星的位置。通过当时最高水平技术得到的观察结果,他们确定了远处的星光是否会受到太阳引力影响而产生弯曲,以及弯曲的程度。这个结果震惊了许多人,但爱因斯坦已经知道答案是什么,具体如下。

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图解:一个引力透镜以及星光因质量而弯曲的例子。在进行定量预测之前,甚至在爱因斯坦提出这个理论之前,他就知道光一定会受质量的影响而弯曲。(NASA 美国国家航空航天局/ STSCI太空望远镜科学研究所)

想象一下你在电梯内,所有门都是关着的。你可以听到发动机在外面运行,但你看不见外面发生了什么。你只知道你所能感受的,以及看到的电梯内部。现在,尽你所能地试着问一些最具物理意义的问题。你移动的速度有多快,往哪个方向?你的运动是否在改变?如果改变了,是什么引起的?

在电梯里,无法看到外面发生了什么,你几乎不可能知道这些问题的答案。根据相对论定律——追溯到爱因斯坦之前,一直到伽利略——你不知道你是否在运动。

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图解:一个光子钟表,由两个反射镜之间的光子反弹而成,可以为任何观察者定义时间。 虽然这两个观察者可能在时间流逝的多少上意见不一,但他们将在物理定律和宇宙常数上达成一致,比如光速。每个观察者不仅感觉不到时间流逝速度的变化,而且他们无法从自己有限的参照系中了解外部世界的任何东西。(约翰·d·诺顿)

物理定律并不取决于你的速度,你也不能仅仅从电梯内部进行测量从而知道相对于外部世界你的速度是多少。你的电梯可以向上、向下、水平或向任何方向移动,除非它的运动发生了变化,否则不会对电梯内发生的任何事物产生物理影响。

这就是相对论的原理:所有惯性(非加速)参照系都遵循相同的物理定律和方程。在静止电梯中的世界和在恒定运动电梯中的世界的特性对任何观察者来说都是无法区分的。只有当你能看到外面,并将你的运动与外部的东西进行比较,才有办法知道你是如何运动的。

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图解:2013年4月19日,一架联盟2.1 A型火箭搭载Bion-M №1升空。火箭的加速度并不比汽车或任何物体在地球上自由落体时的加速度快多少,但可以一次保持这种加速度数分钟,使它们能够打破地球引力的束缚。对火箭里面的观察者来说,他们会感受到恒定的加速度,但却无法确定它的来源。一旦加速度停止,他们就不知道自己的速度是多少,除非他们能观察到外面的世界。(ROSKOSMOS俄罗斯太空局)

没有绝对运动这一概念是狭义相对论的核心:所有非加速观察者都可以平等地宣称他们的观点是正确的。

然而,如果电梯加速,情况就会发生戏剧性的变化。电梯以9.8m/s2的加速度向上加速,电梯内的所有物体相对于电梯来说都会以同样的加速度向下加速到地板上:9.8m/s2。当你在一辆快速加速(你感觉自己被向后推到座位上)或减速(你感觉被向前推动)的汽车里时,你所感受到的效果与在加速电梯里的人所感受到的相似。是运动的变化——加速度——导致了你所感受到的力,就像你从牛顿最著名的方程F = ma中所期望的那样。

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图解:当一辆汽车经历加速运动,而不是匀速运动时,驾驶员和任何乘客都会感受到一个与他们的质量乘以加速度相等的力。即使在一个封闭的系统中,你不能看到或观察外部世界,也会有一种力让你得出结论,你的经历与特定的加速度是一致的。(国家汽车博物馆/遗产图片社/盖蒂图片社)

现在,我们来看另一个问题。如果你在同一个电梯里,但不是加速,而是静止在地球表面,你在里面会经历什么?

来自地球的重力以同样的加速度(9.8m/s2)将地球表面的所有物体向下拉。如果电梯是静止在地面上的,地球引力仍然会导致电梯内的每一个物体以9.8m/s2的速度向下加速:这与不在重力场中的电梯以这个速度向上加速的结果是一样的。对于电梯里的人来说,没有办法看到外面的世界,也没有办法知道他们是否是静止的,但在重力场中或由于外部推力而加速的情况下,这些场景是相同的。

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图解:一个下落的球在加速火箭中(左)和在地球上(右)的相同行为可以表现爱因斯坦等价原理。在任意一点测量重力加速度和其他形式的加速度没有区别;除非您能够以某种方式观察或访问外部世界的信息,否则这两个场景将产生相同的实验结果(维基共享用户MARKUS POESSEL作图,PBROKS13修改)。

现在,想象一下,如果你让一束光从外面穿过一个洞进入电梯的一侧,观察它在另一侧撞击墙壁的位置,会发生什么。 这取决于电梯相对于外部光源的速度和加速度。比如:

1. 如果电梯和光源之间没有相对运动或相对加速度,光束就会出现直线穿过。

2. 如果有相对运动(速度)但没有相对加速度,光束会沿直线运动,在电梯内部看来,光线是与水平线相比有所倾斜的直线。

3. 如果有相对加速度,光束会沿着弯曲的路径运动,曲率的大小由加速度的大小决定。

然而,最后一种情形是可以很好地描述加速的电梯和在引力场中静止的电梯。

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图解:根据电梯与光源的相对运动情况不同,电梯内的人看到的光线不同。 如果你允许光从外部进入到内部,你就能获得关于两个参照系的相对速度和加速度的信息。但产生加速度的原因,无论是来自惯性(推力)还是重力作用,都不能仅从这一观察中看出。(尼克·斯特罗贝尔,天文网ASTRONOMYNOTES.COM)

这就是爱因斯坦等效原理的基础:观察者无法区分由引力或惯性(推力)效应引起的加速度。在极端的情况下,在没有空气阻力的情况下从建筑物上跳下,会感觉完全失重。

例如,国际空间站上的宇航员经历了完全的失重状态,尽管地球使他们向地心加速, 他们受到的重力是在地表的90%。1911年这一想法震惊了爱因斯坦,后来把它称为他最快乐的想法。正是这个想法使他在经过四年的进一步发展之后,发表了广义相对论。

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图解:国际空间站上的宇航员和水果。请注意,重力并没有消失,但是所有的东西——包括宇宙飞船——都在匀速加速,所有的重力都用作了向心力,导致零重力体验。国际空间站是惯性参考系的一个例子。(公共域图像)

爱因斯坦思想实验的结论是无可辩驳的。无论引力在空间的某一特定位置有什么作用——无论它们引起什么加速度——它们也会影响光。就像用推力加速电梯会导致光线偏转一样,让光线接近能产生重力的质量也会导致同样的偏转。

因此爱因斯坦推断,他的理论不仅可以预测光线途经引力场时路线发生偏转,而且可以计算偏转的大小,只需知道附近的引力场强度。

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图解:在日全食期间,太阳引力弯曲了途经它的光线,使得太阳附近的恒星位置看起来似乎与实际位置不同。偏离角度的大小将由光线受到的引力场的强度决定。(西格尔/《银河系之外》)

爱因斯坦在1911年有了他那个最快乐的想法,到1915年底,他已经完成了广义相对论,于是可以预测离太阳特定角度的恒星的光线应该偏转多少。

当然,在正常情况下,这是无法观察到的,因为人们在白天是无法观察到星星的。但是当日全食发生的时候,特别是当日全食持续时间很长,天空变得非常黑暗的时候,观测者也许可以看到恒星。1916年发生了日全食,但第一次世界大战阻止了这项重要的观测。1918年的日食发生在美国大陆上空,但有云层遮挡,打乱了美国海军天文台的计划。

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图解:1919年爱丁顿探险队的实际底片和正片,白色横线表示已知恒星的位置,用于测量由于太阳的存在而产生的光线偏转。这是对爱因斯坦广义相对论的第一次直接的、实验性的证实。(爱丁顿等人,1919)

然而,1919年,一场很长时间的日食预计要经过南美洲和非洲,英国的亚瑟·爱丁顿爵士做好了准备。在巴西的索夫拉尔和非洲的普林西比,有两个研究小组参与了观测这次日食,这次日食大约有6分钟的全食时间,这是爱因斯坦理论的理想试验场。尽管结果多年来饱受争议,但其结果与爱因斯坦的预测一致,并经受住了时间和进一步检验。在这些观察之后,爱丁顿创作了下面这首仿拟诗:

哦,让明智的人来整理我们的测量吧

至少有一件事是肯定的,光有重量

有一件事是肯定的,其余的都是争论——

光线在接近太阳时,不走直线

(注: 此诗模仿的是《鲁拜集》第29首)

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图解:1919年爱丁顿探险队的结果最终表明,广义相对论描述了大质量物体周围星光的弯曲,推翻了牛顿的理论。这是对爱因斯坦广义相对论的首次观测证实,而且与“空间的弯曲”相一致。(《伦敦新闻画报》,1919年)

尽管进行能够验证或反驳理论预测的关键实验或观察总是至关重要的,爱因斯坦毫无疑问地认为,观测到的恒星光线经过巨大的质量(如太阳)附近会被重力弯曲。正如他能确定万有引力会产生加速度一样,对于一个加速的观察者来说,光线会发生弯曲,所以引力也一定会使光线弯曲。

2019年5月29日,人类庆祝验证广义相对论100周年,以及重力弯曲光100周年。尽管一百年前的那天很多人都有疑问,但爱因斯坦不是其中之一。只要下落物体会由于重力而加速,我们就有充分的理由相信重力也会使光弯曲。

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