105年前就能驗證的愛因斯坦廣義相對論

禹杰 2019-04-11

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原標題：105年前就能驗證愛因斯坦廣義相對論！卻被一戰(zhàn)打亂

眼下，最爆炸性的新聞就是“人類公布了首張黑洞的照片”，這不僅是人類對宇宙研究的巨大突破，也證實了愛因斯坦廣義相對論的理論正確性。今天（4月11日），恰巧是愛因斯坦發(fā)表相對論114周年紀念日，在這一紀念日的前夜發(fā)布首張黑洞照片，無疑是對偉大科學家愛因斯坦和他的相對論的最好紀念。

那么，什么是相對論？“狹義相對論”與“廣義相對論”有啥區(qū)別？廣義相對論中核心問題“光線彎曲”是啥時候被證實的？

在這個特殊的紀念日，讓我們一起看看這些焦點問題和鮮為人知的故事。

相對論簡述

在愛因斯坦狹義相對論提出以前，人們認為時間和空間是各自獨立的絕對的存在，自伽利略時代以來這種絕對時空的觀念就開始建立，牛頓創(chuàng)立的牛頓經(jīng)典力學和經(jīng)典運動學就是在絕對時空觀的基礎上創(chuàng)立。

1905年4月11日，愛因斯坦在牛頓經(jīng)典力學、麥克斯韋經(jīng)典電磁學等的基礎上首次提出了“四維時空”的概念，它認為時間和空間各自都不是絕對的，而絕對的是一個它們的整體——時空，在時空中運動的觀者可以建立“自己的”參照系，可以定義“自己的”時間和空間（即對四維時空做“3+1分解”），而不同的觀者所定義的時間和空間可以是不同的。

狹義相對論建立在如下的兩個基本公設上：

狹義相對性原理：一切的慣性參考系都是平權(quán)的，即物理規(guī)律的形式在任何的慣性參考系中是相同的。這意味著物理規(guī)律對于一位靜止在實驗室里的觀察者和一個相對于實驗室高速勻速運動著的電子是相同的。

光速不變原理：真空中的光速在任何參考系下是恒定不變的。也正是由于光子有這樣的實驗性質(zhì)，在國際單位制中使用了“光在真空中1/299792458秒內(nèi)所走過的距離”來定義長度單位“米”（米）。

廣義相對論概要

在提出相對論以后，經(jīng)過10年的研究和觀察，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了狹義相對論在解釋時空時的局限性，又于1915年提出了廣義相對論理論。

他首先注意到了被稱之為（弱）等效原理的實驗事實：引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量是相等的。這一事實也可以理解為，當除了引力之外不受其他力時，所有質(zhì)量足夠?。雌浔旧淼馁|(zhì)量對引力場的影響可以忽略）的測驗物體在同一引力場中以同樣的方式運動。既然如此，則不妨認為引力其實并不是一種“力”，而是一種時空效應，即物體的質(zhì)量能夠產(chǎn)生時空的彎曲，引力源對于測驗物體的引力正是這種時空彎曲所造成的一種幾何效應。這時，所有的測驗物體就在這個彎曲的時空中做慣性運動，其運動軌跡正是該彎曲時空的測地線，它們都遵守測地線方程。正是在這樣的思路下，愛因斯坦得到了其廣義相對論。

一戰(zhàn)添亂

愛因斯坦的廣義相對論中關于“光線彎曲”理論的證實有一個曲折的故事，這個故事與第一次世界大戰(zhàn)有關。一戰(zhàn)打亂了愛因斯坦的計劃，卻也讓愛因斯坦因禍得福。

1905年愛因斯坦發(fā)表了《狹義相對論》后，很快發(fā)現(xiàn)自己的新理論只適用于勻速運動的慣性系中，而真實世界并不是勻速運動的，而且他還發(fā)現(xiàn)狹義相對論并不能解釋牛頓的萬有引力定律，這就讓愛因斯坦陷入煩惱之中了。

愛因斯坦一直尋求解決《狹義相對論》缺陷的辦法。從1907年到1911年，愛因斯坦一直致力于如何把萬有引力納入到相對論中。他曾這樣思考，如果把引力的本質(zhì)描述為時空彎曲會怎樣？如果空間是彎曲的，那么在彎曲的空間周圍射過一條光線，按照自己的理論，這條光線就是彎曲的。愛因斯坦意識到自己揭開了宇宙的神秘面紗。但是該怎么證明自己的新理論呢？生活中的物體質(zhì)量太小了，根本不足以達到彎曲光線的程度。那么找什么物體才合適呢？對，這就是太陽！

如果太陽背后的星體發(fā)出來的光線經(jīng)過太陽周圍時被彎曲了，那么這就表明自己的理論是正確的。但是該怎么觀察呢，太陽實在是太亮了，除非有物體遮住太陽。所以愛因斯坦認為只有日全食的時候才能證明自己理論的正確性。

愛因斯坦提出有質(zhì)量的物體可以彎曲周圍的時空這一結(jié)論是在1912年，而下一次日全食則是在1914年8月21日。于是愛因斯坦給全球著名的天文臺寫信尋求幫助，希望他們可以去拍攝日全食的照片。幸運的是，愛因斯坦的尋求信得到了柏林天文臺的一位年輕助手的回應，這就是歐文芬利。他們立即組成了觀測隊，其中包括來自美國著名天文學家威廉坎貝爾。他們發(fā)現(xiàn)1914年8月21日的日全食最佳觀測地段位于俄國的克里米亞半島。于是德國天文學家歐文芬利和美國天文學家威廉坎貝爾去了俄國。

但是很不幸，在日全食將要來臨的一個月內(nèi)，世界第一次大戰(zhàn)爆發(fā)了！德皇對俄國宣戰(zhàn)，可怕的事發(fā)生了，俄國軍人搜查了在克里米亞半島觀測日全食的這群天文學家，但這并非是致命性的打擊，因為威廉坎貝爾是來自保持中立的美國，他并沒有被逮捕，而作為德國人的歐文芬利則以間諜罪被捕入獄，所有觀測儀器還被俄國人沒收。就這樣，第一次證明相對論正確性的機會就在指尖溜走了！

因禍得福

愛因斯坦很是苦惱，證明自己的機會就這樣溜走了。可很快，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)自己的理論有數(shù)學錯誤，如果上次日全食真的觀測成功了，那么按自己原先的理論算出來的光線偏折只是觀測數(shù)據(jù)的一半。就這樣，愛因斯坦因禍得福，因為自己的職業(yè)生涯得到了挽救。愛因斯坦接下來致力于尋找數(shù)學工具來完善自己的理論，也就是建立廣義相對論的引力場方程式。

事實上，愛因斯坦的數(shù)學功底相對于當時的數(shù)學家來說是遜色的，他曾經(jīng)把自己在建立引力場方程中遇到的問題演講給科學界人士，而觀眾席上就有大名鼎鼎的數(shù)學家希爾伯特。在希爾伯特看來，這完全是個純數(shù)學問題，并認為自己可以解決這個問題。這時候愛因斯坦有了緊迫感，他和希爾伯特爭分奪秒，看誰可以提前發(fā)布廣義相對論的引力場方程。這時候愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，自己的新理論隱藏在一個困擾眾多天文學家的謎題中，按照牛頓力學，水星的運行軌道是規(guī)則的，但是觀測事實卻表明水星運行軌道偏離了公轉(zhuǎn)軌道，這就是著名的水星進動現(xiàn)象。而愛因斯坦認為，自己的引力理論完全可以解釋水星進動現(xiàn)象。1915年，愛因斯坦和希爾伯特幾乎同時得到了廣義相對論的引力場公式，而希爾伯特卻很大度的把這一結(jié)果承讓給了愛因斯坦。

第二年，愛因斯坦完整發(fā)表了廣義相對論，并給出了太陽背后天體光線的偏移程度。接下來就是尋找下一次日全食嘍！天文學家發(fā)現(xiàn)，下一次日全食將在1919年5月29日的西非上演，于是大家就在靜靜的等待著，而此次觀測任務由著名天文學家愛丁頓帶隊，并成為這次觀測日全食的決定性人物。1919年5月29日，愛丁頓成功拍攝了日全食及其背后天體光線的照片。經(jīng)過幾個月的數(shù)據(jù)分析，愛因斯坦的引力方程預言的太陽彎曲了周圍空間并導致其光線偏移的數(shù)據(jù)完全符合觀測數(shù)據(jù)。就這樣，愛因斯坦一鳴驚人，這一爆炸消息也得到了媒體的瘋狂報道，有人高呼“牛頓錯了！”。