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正在播放相关视频:100年前的爱因斯坦,用相对论做出天文预测,科学家验证分毫不差【 播放不了点此报错 】

为何说100年以前的一场全日食证明了爱因斯坦对了而牛顿错了

看你要怎么样的解释咯《狭义相对论》讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,通俗点讲就是你在路上正常行走时,以你为参照物,另外物体的运动规律。《广义相对论》讲的就多多了,我也不是很懂,但是它涉及一个很有趣的问题《白洞》!刚好与《黑洞》相反。《白洞》有一个封闭的边界。与《黑洞》不同的是,《白洞》内部的物质(包括辐射)可以经过边界发射到外面去,而边界外的物质却不能落到《白洞》里面来www.aiyanqing.com防采集请勿采集本网。

一场发生在1919年5月29日的全日食,给了牛顿宇宙体系致命一击。

因为爱因斯坦之前的科学家们并没有高速运动的观测和体验,所以绝对时空观在古代科技水平下无疑是真理,而爱因斯坦的狭义相对论更新了人们的世界观,为广义相对论的诞生奠定了坚实的基础。在爱因斯坦以前,

1919年5月29日,世界永远地改变了。几百年来,艾萨克·牛顿的引力理论——宇宙引力的法则,从未被挑战过,因为它的预测符合每一个已做过的观测和测量。然而牛顿对水星轨迹的预测却和十九世纪中期天文学家们看到的水星所表现出来的不一样,科学家们也不知道该怎么解释这个差异。

应该是1905年。1905年,爱因斯坦创立狭义相对论,1916年他又创立了广义相对论。狭义相对论揭示了空间、时间、质量和物质运动之间的联系;广义相对论则建立了空间、时间是随着物质分布和运动速度

也许,我们还是需要修改引力法则。当狭义相对论提出时,证据增加了。它证明不存在绝对距离这种东西。牛顿的理论预测存在瞬时力,这与相对论相违背。1915年,埃尔伯·爱因斯坦提出了一个替代万有引力的新理论:广义相对论。测试广义相对论与牛顿的理论相对的方法就是等待一场全日食。100年以前,爱因斯坦被证实是对的。以下为证明方法。

相对论包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对论:论证了时间是相对的 空间是相对的 质量也是相对的。时间是相对的,不是绝对:现在GPS、北斗卫星已经证明了,地球的1秒时间,与卫星的1秒时间是

像全日食这样的大事件能够为爱因斯坦的相对论提供一个独特的测试,当遥远天体的光线从太阳附近经过时,它会被弯曲,但对于地球上的观天者来说,当太阳被遮住时,灰暗的天空使得这些天体仍旧是可见的。在1919年5月29日这天,这个方法为爱因斯坦的广义相对论提供了第一个证明。(NASA科学可视化工作室)

喜欢和不喜欢这样去理解

如今,爱因斯坦的广义相对论可论证为史上最成功的理论。这个理论解释了从GPS信号到引力红移,从引力透镜到黑洞融合,从脉冲星调速到水星轨道的所有事情。广义相对论的预测到现在为止还没有失灵过。

1915年,当这个理论第一次被提出时,它正尝试取代牛顿的万有引力。然而,尽管它能再现早期牛顿理论的成功并解释水星轨道(这是牛顿理论做不到的)。但是这个关键测试将会以一种新的预测形式出现,而且这个预测与宇宙引力法则的预测截然不同。一场全日食将提供一次独特且直接的机会。

在太阳系中,由行星和太阳吸引造成的空间弯曲,必须被考虑进航天器或者是天文台会进行的任何观测中去。从空间探索到GPS信号卫星再到太阳附近经过的光信号,在此应用范围内,即使是十分微小的事情,广义相对论的作用都不能被忽略。(美国国家航天局/喷气推动实验室—加州理工大学,卡西尼任务)

在牛顿的万有引力理论中,任何有质量的物体都会吸引其他有质量的物体。虽然光没有重量,但它有能量,因此通过爱因斯坦的质能方程式:能量=质量*光速(E=mc,写作m=E/c)你可以给它分配一个实际质量。如果让一个光量子从一个大质量物体附近经过,可以用它确切的质量预测这束星光应当弯曲多少,你能获得一个有效值。在太阳的边缘附近,这个值比1角秒(1/3600度)还小。

但在爱因斯坦的广义相对论中,由于质量的存在,空间与时间都被扭曲。而在牛顿的引力体系中,物体只有在空间中运动时才受引力影响。这意味着相对于牛顿的理论,爱因斯坦的理论推测出了额外1角秒的弯曲(事实上,要小更多,尤其是当接近设想中的质量时),或者说一个在太阳附近的接近2角秒的弯曲。

一张引力透镜的图例展示了背景星系或任意光路是如何因为中间质量的存在而发生扭曲的。同时它也展示了空间本身是如何因为前景星系的存在而弯曲,变形的。在爱因斯坦提出广义相对论之前,尽管许多人对此表示怀疑,但他相信这个弯曲一定存在。一直到1919年,那场全日食证明了他的推测。爱因斯坦和牛顿都对应当出现的弯曲数量作出了预测,二者间有一个意义重大的不同——在广义相对论中,空间与时间均受质量影响。

关于爱因斯坦是如何提出广义相对论的历史非常吸引人,因为事实就是牛顿的万有引力的确存在缺陷,这激励了爱因斯坦构思他的新概念。

牛顿的引力理论于1687年提出,它是一条十分简单的法则:在空间任意位置将物体以固定的距离分隔开,你可以直接算出他们之间的引力。这条法则解释了从地球上的加农炮的运动到彗星,行星,恒星这类天体的运动的一切事物。过去200年,它已经通过了所有测试。但是一个讨人厌的观测打乱了这一切:太阳系最内部行星的细微运动。

科学家Urbain Le Verrier通过分析天王星轨道异常,发现了海王星以后,他便将注意力转向了水星轨道异常。他假设了一颗内部行星祝融星,作为水星轨道异常的解释。尽管祝融星不存在,但正是Le Verrier的估计,帮助并引导爱因斯坦得出最终结果:广义相对论。

每颗行星都以椭圆形轨道绕太阳运动,然而这个椭圆轨道并不是静止的。尽管每条轨道最终都会回到空间中同一固定点,但更多的,它是进动着的。进动就像是看着轨道不停的在空间中旋转,虽然速度极慢。从15世纪晚期开始,第谷和布拉赫就对水星进行了极其精确的观测,因此有了这三百年多年以来的观测数据,我们的测量就格外出色。

根据牛顿的理论,由于地球春秋分点的行进和太阳系内行星对水星轨道有影响,水星轨道应当每世纪旋进5557角秒。但是通过观察我们发现这个数据实际上应该是每世纪5600角秒。这个每世纪43角秒(每年仅0.00012度)的差别在牛顿的理论中并没有得到解释。要么是在水星和太阳之间还有一颗行星(观测结果已将该可能排除),要么是旧的引力理论有错误。

根据这两种不同的引力理论,当其他行星和地球的运动对水星轨道的影响被剔除后,牛顿预测的是红椭圆(保守的),与之相对,爱因斯坦预测的是蓝椭圆(行进的)。(维基共享资源用户KSMRQ)

但是,爱因斯坦的新理论能够解释这个偏差。他花了数年时间构建广义相对论的框架,在该理论中,引力不是由物体相互吸引造成的,更多是由物质能量弯曲空间构造引起的。而且,所有天体都会穿过这个空间。当引力场较弱时,牛顿的法则是爱因斯坦理论非常好的近似值。

然而,当天体接近大质量或处于高速状态时,爱因斯坦的预测便与牛顿的预测不同。爱因斯坦确切地预测出了那个每世纪43角秒的差别。但是,推翻一个科学理论的障碍比这可多得多,要取代旧理论,新理论必须达到如下条件:

重现旧理论的成功之处。(换句话说,旧理论在某种程度上还是优越的。)

在旧理论不适用的领域中取得成功。(换句话说,新理论不能依托旧理论解决问题)

提出一个你能想到的并且可以测试的新预测,将新旧理论区分开来。(换句话说,你不需要有任何合乎科学的预测力)

最后一点便是日食会在哪里出现

在一次全日食过程中,由于有中间质量太阳的存在,光线出现了弯曲,恒星会出现在和它们实际位置不同的方位。偏转的数量由光线经过的空间方位中的引力影响强度决定。(E.SIEGEL/银河系之外)

当恒星出现在夜空时,来自各星系不同地方的星光进入我们眼中,许多光在很多年前就出发了。如果牛顿是正确的,那光要么应当完全沿直线传播,它经过任何质量时都不会被弯曲;要么根据质能方程式描述的引力影响,它应当弯曲。(毕竟,如果E=mc2,那么根据m=E/c2,你就可以把光看作是有确切质量的了)

不过,爱因斯坦的理论给出了一个与前两个数字截然不同的预测,特别是当光近距离经过一个大质量天体时。那额外的1角秒(或者说是2+额外的十万分之一角秒)是爱因斯坦理论中一个独特且十分具体的预测,一年中,它可以通过不同时间进行的两次观测来检验。

尽管有人可以争辩说牛顿引力理论预测了无偏转或者根据力学法则和质能方程式(E=mc2)预测了一个数量极其微小的偏转,但爱因斯坦的预测仍是最权威的且与这两个都不同。(NASA/宇宙时间/哥达德太空飞行中心, JIM LOCHNER AND BARBARA MATTSON)

离地球最近的质量最大的天体是太阳,它通常在白天散发可见光。根据爱因斯坦的理论,当光线从太阳的边缘附近经过时,它是在弯曲的空间内传播,这就导致了光路会出现弯曲。然而在一次全日食过程中,月亮会从太阳前部经过,并挡住太阳光进而导致天空变得像晚上那么暗,最后使得恒星能在白天被看见。

如果在此之前你曾高精度地测量过这些恒星的方位,由于附近大质量天体存在,你就能看出它们是否移动过,移动了多少。如果你能以亚角秒水平侦测偏转方位,你就可以准确知道牛顿,爱因斯坦或其他人的预测是不是正确的。

早在1900年的一场日食期间,就鉴定了一张早期的恒星感光片(圆圈形)。当时它十分引人注意,因为在上面不仅可以辨别出日冕,还可以辨别出恒星。只是恒星方位的精确度还不足以检验广义相对论的预测。

这次日全食期间的太阳照片底片不仅展现了之前日冕层的细节,还揭示了白天时恒星的存在和方位。但是,之前的照片没有一张品质足够高,达不到用来确定附近恒星的偏转方位所必需的精度。因为光线的偏转程度非常小,探测它需要极高精度的测量尺度。

在1915年爱因斯坦提出广义相对论以后,只有少量机会检验它:1916年,一战干涉;1918年,尝试观测却被云妨碍了;1919年,实现第一次成功检验!亚瑟·爱丁顿策划了一次包括两支队伍的“征途”,一支在巴西,一支在非洲。这次全日食是20世纪最长的全日食之一,持续时间近7分钟。在日食过程中,他们负责拍摄并测量这些恒星的位置。

现存的来自于1919年爱丁顿征途清晰或不清晰的照片底片(有线条)向我们展示了可识别的恒星的位置,他们可以用于测量因太阳存在而产生的光线偏转。这是第一次直接且具实验性的证实了爱因斯坦的广义相对论。

这些观察结果引人注目且深刻:爱因斯坦的理论是正确的,在由太阳引起的光线弯曲面前,牛顿的理论分离崩解。尽管这些数据和分析有争议,许多人指责(有一些人仍旧在指责)亚瑟·爱丁顿为了得到一个可以肯定爱因斯坦预测的结果“加工了数据”,然而,随后的日食确切地表明了爱因斯坦的理论能在牛顿万有引力理论失效时起作用。

另外,对爱丁顿工作进行的细致再分析显示它其实足够好,可以用来证明广义相对论的预测。全球的报刊专栏都在极力宣传这个巨大的成功,即使已经过去了一个世纪,一些世界上顶尖的科普作者仍在发行关于这次杰出成就的优秀书籍。

对于这个不可思议的科学突破,纽约时报和伦敦新闻画报的头条呈现出来的不仅是报道深度和质量的差异,还有这两个不同国家的记者所表现出来的兴奋程度。“光在靠近质量时会被弯曲,弯曲的数量竟然和爱因斯坦预测的一样。”(纽约时报,1919年11月10日;伦敦新闻画报,1919年11月22日),2019年5月29日,标志着那天的100周年纪念日到来。那天的那件事、那次征途证明,在引力如何运作这个领域里,爱因斯坦的广义相对论是人类的领导理论。牛顿的理论依然十分有用,但只是在限制的有效性范围内近似于爱因斯坦的理论。

同时,广义相对论已持续成功地预测了从参考系拖拽到引力波的所有事情,并且也遇到了与其预测相抵触的观测结果。这标志着广义相对论被证明有效已经整整一个世纪,却没有一丝关于它在某天可能会瓦解的线索。尽管我们的确不知道有关宇宙的所有事情,包括量子引力理论以后可能会是什么样子,但是用来庆祝我们已知的东西的日子。第一个具有批判性的测试已过去100年,最好的引力理论却仍然没有表现出任何衰败的迹象。

作者:Ethan Siegel

FY:CH1898

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不光是100年前,现在仍然有很多很多人不能理解相对论,不会证明相对论,不知道相对论推导需要进行哪些假设,需要什么条件。科学教育在中国,还在摸索内容来自www.aiyanqing.com请勿采集。

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