|
當光線經過一個大塊物質會發(fā)生什么事情？它是否簡單地、不偏離原路徑地沿著直線繼續(xù)行進？它是否會由于附近物質的重力效應而受到一個力？如果是的話，那它所受的力的大小是多少？ 這些問題直截了當地點中重力的運作原理。今年，2019年，是紀念廣義相對論被證實100周年。1919年5月29日發(fā)生日全食時，兩支獨立的隊伍成功地測量了太陽邊緣附近恒星的位置。通過當時最高水平技術得到的觀察結果，他們確定了遠處的星光是否會受到太陽引力影響而產生彎曲，以及彎曲的程度。這個結果震驚了許多人，但愛因斯坦已經知道答案是什么，具體如下。  圖解：一個引力透鏡以及星光因質量而彎曲的例子。在進行定量預測之前，甚至在愛因斯坦提出這個理論之前，他就知道光一定會受質量的影響而彎曲。（NASA 美國國家航空航天局/ STSCI太空望遠鏡科學研究所） 想象一下你在電梯內，所有門都是關著的。你可以聽到發(fā)動機在外面運行，但你看不見外面發(fā)生了什么。你只知道你所能感受的，以及看到的電梯內部。現(xiàn)在，盡你所能地試著問一些最具物理意義的問題。你移動的速度有多快，往哪個方向？你的運動是否在改變？如果改變了，是什么引起的？ 在電梯里，無法看到外面發(fā)生了什么，你幾乎不可能知道這些問題的答案。根據相對論定律——追溯到愛因斯坦之前，一直到伽利略——你不知道你是否在運動。  圖解：一個光子鐘表，由兩個反射鏡之間的光子反彈而成，可以為任何觀察者定義時間。 雖然這兩個觀察者可能在時間流逝的多少上意見不一，但他們將在物理定律和宇宙常數上達成一致，比如光速。每個觀察者不僅感覺不到時間流逝速度的變化，而且他們無法從自己有限的參照系中了解外部世界的任何東西。（約翰·d·諾頓） 物理定律并不取決于你的速度，你也不能僅僅從電梯內部進行測量從而知道相對于外部世界你的速度是多少。你的電梯可以向上、向下、水平或向任何方向移動，除非它的運動發(fā)生了變化，否則不會對電梯內發(fā)生的任何事物產生物理影響。 這就是相對論的原理：所有慣性（非加速）參照系都遵循相同的物理定律和方程。在靜止電梯中的世界和在恒定運動電梯中的世界的特性對任何觀察者來說都是無法區(qū)分的。只有當你能看到外面，并將你的運動與外部的東西進行比較，才有辦法知道你是如何運動的。  圖解：2013年4月19日，一架聯(lián)盟2.1 A型火箭搭載Bion-M №1升空?；鸺募铀俣炔⒉槐绕嚮蛉魏挝矬w在地球上自由落體時的加速度快多少，但可以一次保持這種加速度數分鐘，使它們能夠打破地球引力的束縛。對火箭里面的觀察者來說，他們會感受到恒定的加速度，但卻無法確定它的來源。一旦加速度停止，他們就不知道自己的速度是多少，除非他們能觀察到外面的世界。（ROSKOSMOS俄羅斯太空局） 沒有絕對運動這一概念是狹義相對論的核心:所有非加速觀察者都可以平等地宣稱他們的觀點是正確的。 然而，如果電梯加速，情況就會發(fā)生戲劇性的變化。電梯以9.8m/s2的加速度向上加速，電梯內的所有物體相對于電梯來說都會以同樣的加速度向下加速到地板上：9.8m/s2。當你在一輛快速加速（你感覺自己被向后推到座位上）或減速（你感覺被向前推動）的汽車里時，你所感受到的效果與在加速電梯里的人所感受到的相似。是運動的變化——加速度——導致了你所感受到的力，就像你從牛頓最著名的方程F = ma中所期望的那樣。 圖解：當一輛汽車經歷加速運動，而不是勻速運動時，駕駛員和任何乘客都會感受到一個與他們的質量乘以加速度相等的力。即使在一個封閉的系統(tǒng)中，你不能看到或觀察外部世界，也會有一種力讓你得出結論，你的經歷與特定的加速度是一致的。 現(xiàn)在，我們來看另一個問題。如果你在同一個電梯里，但不是加速，而是靜止在地球表面，你在里面會經歷什么? 來自地球的重力以同樣的加速度（9.8m/s2）將地球表面的所有物體向下拉。如果電梯是靜止在地面上的，地球引力仍然會導致電梯內的每一個物體以9.8m/s2的速度向下加速:這與不在重力場中的電梯以這個速度向上加速的結果是一樣的。對于電梯里的人來說，沒有辦法看到外面的世界，也沒有辦法知道他們是否是靜止的，但在重力場中或由于外部推力而加速的情況下，這些場景是相同的。  圖解：一個下落的球在加速火箭中（左）和在地球上（右）的相同行為可以表現(xiàn)愛因斯坦等價原理。在任意一點測量重力加速度和其他形式的加速度沒有區(qū)別；除非您能夠以某種方式觀察或訪問外部世界的信息，否則這兩個場景將產生相同的實驗結果（維基共享用戶MARKUS POESSEL作圖，PBROKS13修改）。 現(xiàn)在，想象一下，如果你讓一束光從外面穿過一個洞進入電梯的一側，觀察它在另一側撞擊墻壁的位置，會發(fā)生什么。 這取決于電梯相對于外部光源的速度和加速度。比如： 1. 如果電梯和光源之間沒有相對運動或相對加速度，光束就會出現(xiàn)直線穿過。 2. 如果有相對運動（速度）但沒有相對加速度，光束會沿直線運動，在電梯內部看來，光線是與水平線相比有所傾斜的直線。 3. 如果有相對加速度，光束會沿著彎曲的路徑運動，曲率的大小由加速度的大小決定。 然而，最后一種情形是可以很好地描述加速的電梯和在引力場中靜止的電梯。  圖解：根據電梯與光源的相對運動情況不同，電梯內的人看到的光線不同。 如果你允許光從外部進入到內部，你就能獲得關于兩個參照系的相對速度和加速度的信息。但產生加速度的原因，無論是來自慣性（推力）還是重力作用，都不能僅從這一觀察中看出。（尼克·斯特羅貝爾，天文網ASTRONOMYNOTES.COM） 這就是愛因斯坦等效原理的基礎：觀察者無法區(qū)分由引力或慣性（推力）效應引起的加速度。在極端的情況下，在沒有空氣阻力的情況下從建筑物上跳下，會感覺完全失重。 例如，國際空間站上的宇航員經歷了完全的失重狀態(tài)，盡管地球使他們向地心加速， 他們受到的重力是在地表的90%。1911年這一想法震驚了愛因斯坦，后來把它稱為他最快樂的想法。正是這個想法使他在經過四年的進一步發(fā)展之后，發(fā)表了廣義相對論。  圖解：國際空間站上的宇航員和水果。請注意，重力并沒有消失，但是所有的東西——包括宇宙飛船——都在勻速加速，所有的重力都用作了向心力，導致零重力體驗。國際空間站是慣性參考系的一個例子。（公共域圖像） 愛因斯坦思想實驗的結論是無可辯駁的。無論引力在空間的某一特定位置有什么作用——無論它們引起什么加速度——它們也會影響光。就像用推力加速電梯會導致光線偏轉一樣，讓光線接近能產生重力的質量也會導致同樣的偏轉。 因此愛因斯坦推斷，他的理論不僅可以預測光線途經引力場時路線發(fā)生偏轉，而且可以計算偏轉的大小，只需知道附近的引力場強度。  圖解：在日全食期間，太陽引力彎曲了途經它的光線，使得太陽附近的恒星位置看起來似乎與實際位置不同。偏離角度的大小將由光線受到的引力場的強度決定。（西格爾/《銀河系之外》） 愛因斯坦在1911年有了他那個最快樂的想法，到1915年底，他已經完成了廣義相對論，于是可以預測離太陽特定角度的恒星的光線應該偏轉多少。 當然，在正常情況下，這是無法觀察到的，因為人們在白天是無法觀察到星星的。但是當日全食發(fā)生的時候，特別是當日全食持續(xù)時間很長，天空變得非常黑暗的時候，觀測者也許可以看到恒星。1916年發(fā)生了日全食，但第一次世界大戰(zhàn)阻止了這項重要的觀測。1918年的日食發(fā)生在美國大陸上空，但有云層遮擋，打亂了美國海軍天文臺的計劃。  圖解：1919年愛丁頓探險隊的實際底片和正片，白色橫線表示已知恒星的位置，用于測量由于太陽的存在而產生的光線偏轉。這是對愛因斯坦廣義相對論的第一次直接的、實驗性的證實。（愛丁頓等人，1919） 然而，1919年，一場很長時間的日食預計要經過南美洲和非洲，英國的亞瑟·愛丁頓爵士做好了準備。在巴西的索夫拉爾和非洲的普林西比，有兩個研究小組參與了觀測這次日食，這次日食大約有6分鐘的全食時間，這是愛因斯坦理論的理想試驗場。盡管結果多年來飽受爭議，但其結果與愛因斯坦的預測一致，并經受住了時間和進一步檢驗。在這些觀察之后，愛丁頓創(chuàng)作了下面這首仿擬詩: 哦，讓明智的人來整理我們的測量吧 至少有一件事是肯定的，光有重量 有一件事是肯定的，其余的都是爭論—— 光線在接近太陽時，不走直線 （注: 此詩模仿的是《魯拜集》第29首）  圖解：1919年愛丁頓探險隊的結果最終表明，廣義相對論描述了大質量物體周圍星光的彎曲，推翻了牛頓的理論。這是對愛因斯坦廣義相對論的首次觀測證實，而且與“空間的彎曲”相一致。（《倫敦新聞畫報》，1919年） 盡管進行能夠驗證或反駁理論預測的關鍵實驗或觀察總是至關重要的，愛因斯坦毫無疑問地認為，觀測到的恒星光線經過巨大的質量（如太陽）附近會被重力彎曲。正如他能確定萬有引力會產生加速度一樣，對于一個加速的觀察者來說，光線會發(fā)生彎曲，所以引力也一定會使光線彎曲。 2019年5月29日，人類慶祝驗證廣義相對論100周年，以及重力彎曲光100周年。盡管一百年前的那天很多人都有疑問，但愛因斯坦不是其中之一。只要下落物體會由于重力而加速，我們就有充分的理由相信重力也會使光彎曲。 參考資料 1.Wikipedia百科全書 2.天文學名詞 3. medium- kayan- |
|
|
