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爱因斯坦如何知道引力会弯曲光线?

爱因斯坦如何知道引力会弯曲光线?

  • 分类:格物致理
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2020-04-20 10:59
  • 访问量:15

【概要描述】

爱因斯坦如何知道引力会弯曲光线?

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  • 分类:格物致理
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爱因斯坦如何知道引力会弯曲光线?

        当光经过大质量天体附近时会发生什么?光是否会沿着直线继续前进,而不偏离原来的路径?还是光会受到天体的引力作用而发生偏转?如果光受到引力的作用,那它们会经历多大的偏转?

这些问题直接触及引力如何作用的核心。今年是广义相对论被证实100周年,1919年5月29日的日全食期间,英国天文学家爱丁顿率领观测团队远赴非洲,成功地测量了太阳边缘附近的恒星位置。基于该观测结果,爱丁顿确定了遥远恒星发出的光在经过太阳附近时,确实受到太阳引力的弯曲,并且偏转程度符合爱因斯坦广义相对论的预言。这个结果让爱因斯坦一举成名,他迅速成为世界家喻户晓的物理学家。

那么,爱因斯坦是如何准确做出星光偏转的预言呢?他的广义相对论又与牛顿的万有引力定律有何不同?

爱因斯坦的电梯思想实验

假设有人在不透明的电梯里,门都是关着的。他能听到发动机在外面运行,但看不到外面发生了什么。他所知道的只是他所能感觉到的,他只能看到电梯的内部。如果此时问他的速度有多快,方向是什么?他的运动是否在改变?

由于在电梯里,没有办法看到外面发生了什么,他几乎不可能知道这些问题的答案。根据相对论的规则——这可以追溯到爱因斯坦之前,一直到伽利略——电梯内部的观测者无法判断他是否在运动。

物理定律并不依赖于观测者的速度,观测者也不能仅从电梯内部进行测量,就能知道自己相对于外部世界的速度是多少。电梯可以向上、向下、水平或向任何方向移动(假设),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情产生物理影响。

这就是狭义相对论的一大基本原理:所有惯性参照系(非加速)都遵循相同的物理定律。静止电梯和匀速运动电梯中的物理定律对任何观测者来说都是无法区分的。只有当观测者能看到外面,并把自己的运动与外部的事物进行比较之时,才有办法知道自己是如何运动的。

没有绝对运动这一概念是相对论的核心,所有非加速的参照系都是平权的,没有哪个参照系是绝对静止的,一切静止都只是相对的。

然而,如果电梯加速运动,情况就会发生大幅变化。如果电梯以9.81米/平方秒的加速度向上加速,电梯内的所有物体都会以同样大小的加速度(9.81米/平方秒)向下加速到电梯地板上。运动的变化(加速度)导致观测者会感受到力的作用,这也可以从牛顿第二运动定律(F=ma)中看出来。

等效原理

另一方面,如果观测者在同一个电梯里,但不是在加速运动,而是静止在地球表面上,此时他在里面会经历什么?

来自地球的引力会以同样的加速度(9.81米/平方秒)把地球表面的所有物体向下拉。如果电梯静止在地面上,地球引力仍然会导致电梯内的所有物体以9.81米/平方秒的加速度向下加速,这与电梯以这个加速度向上加速的结果是一样的。对于电梯里的观测者来说,他没有办法看到外面的世界,所以也没有办法知道自己是否是静止的。因为在引力场或由于外部推力而加速的情况下,这些场景是相同的。

接下来,再来想象一下,如果让一束光从外面穿过一个洞进入电梯的一侧,观察光在另一侧撞击墙壁的位置。结果会怎样同时取决于观测者相对于外部光源的速度和加速度。(1)如果电梯和光源之间没有相对速度或相对加速度,光就会直线穿过。(2)如果有相对速度但没有相对加速度,光会沿直线运动,但不会直接穿过。(3)如果有相对加速度,光会沿着弯曲的路径运动,曲率的大小取决于加速度的大小。

第三情况,可以很好地描述在引力场中加速的电梯和静止的电梯。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效应(推力)引起的加速度。

在极端的情况下,在没有空气阻力的情况下,从高处跳下来,观测者会感觉完全失重。太空中的宇航员也会经历完全的失重状态,尽管他们仍然受到相当于地面90%的地心引力作用。

爱因斯坦在1911年想通了这一点,他称这是他最快乐的想法。正是这个想法,使爱因斯坦在经过四年的进一步酝酿之后,最终提出了一个新的引力理论——广义相对论。

广义相对论的星光偏转验证

爱因斯坦思想实验的结论是无可辩驳的。无论引力作用在空间的某一特定位置,无论它们引起什么加速度,它们也会影响光的运动。这就像用推力使电梯加速运动会导致光线偏转一样,让光靠近大质量天体也会导致同样的偏转。

因此,爱因斯坦基于广义相对论预测,光线在经过引力场时无法沿着直线运动,而且还能根据天体质量产生的引力效应来计算光线偏转角度。在太阳系中,有可能观测到这种现象的只有在太阳附近。因为太阳的质量足够大,背景恒星的光经过太阳附近的引力场时就会发生偏转。

不过,在正常情况下,我们不可能观测到太阳附近的恒星,因为太阳耀眼的光芒会掩盖掉暗淡的恒星。但在发生日全食之时,太阳被挡住之后,就能看到太阳附近的恒星。

在人们错过了1916年和1918年的日全食之后,爱丁顿终于在1919年成功对恒星的偏转进行了测量,结果与广义相对论的预言相一致。虽然万有引力定律也预言太阳附近的星光偏转,但偏转角度只有广义相对论预言的一半。此后,天文学家又利用精度更高的观测方法来验证星光偏转,结果都表明广义相对论是对的。

此后,爱因斯坦一举成名。他本人对星光偏转实验的结果感到很淡定,因为他觉得广义相对论是一套非常自洽和优雅的理论,如果实际观测结果不符合理论预言,他将会对宇宙感到遗憾。

 

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