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阿尔伯特·爱因斯坦百年前一场日食，推翻了牛顿，捍卫了爱因斯坦


1919年5月29日 ， 世界历史从此被改写 。 数百年以来 ， 艾萨克·牛顿的万有引力定律——宇宙万物的吸引力法则——在学界占据着无可撼动的地位 ， 因为在那个年代 ， 几乎所有的天文观测结果 ， 都和牛顿的预言完美相符 。 但是在19世纪中期 ， 随着水星的环绕轨道也被天文学家观测出 ， 牛顿的预言却和这一结果产生了偏差 。 于是 ， 众多科学家努力地去解释误差产生的原因 。
阿尔伯特·爱因斯坦百年前一场日食，推翻了牛顿，捍卫了爱因斯坦
本文插图
牛顿&爱因斯坦
或许 ， 是时候要学者们修改一下牛顿的引力定律了 。 狭义相对论诞生时 ， 最有说服力的证据便出现了 ， 由它人们推断出这世上并没有“绝对距离”这回事 。 牛顿的理论预言了一个瞬时力的存在 ， 这又一次违反了相对论 。 1915年 ， 爱因斯坦提出了一个新的替代引力理论：广义相对论 。 用它来推翻牛顿的理论 ， 等一次日全食就可以了 。 百年后 ， 爱因斯坦的理论被证明是正确的 。 接下来 ， 我将给大家解释这段传奇 。
阿尔伯特·爱因斯坦百年前一场日食，推翻了牛顿，捍卫了爱因斯坦
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像日全食这般的天文现象可以为验证爱因斯坦的理论提供独一无二的机会 ， 因为其他遥远的天体的光路在经过太阳附近时会发生偏折 ， 但是仍然能为地球上的观日者所见 ， 因为当太阳被月球完全遮挡的时候 ， 天空也随之变暗 。 这一方法在1919年5月29日得到了应用 ， 目的是为了第一次证明爱因斯坦的广义相对论 。
阿尔伯特·爱因斯坦百年前一场日食，推翻了牛顿，捍卫了爱因斯坦
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日食示意图
在本世纪 ， 爱因斯坦的广义相对论是人类历史上当之无愧的最成功的的理论 。 从GPS信号的修正到引力红移 ， 从引力透镜到黑洞的合并 ， 甚至是脉冲星的计时和水星的环绕轨道 。 广义相对论的预言不曾让人们失望过 。
当这项理论在1915年首次被完成时 ， 爱因斯坦就试图用它来替代牛顿的引力学说 。 显然 ， 虽然对于前任牛顿的成功 ， 它可以予以重复；对于牛顿理论测不出的水星轨道 ， 它也可以给出解释 ， 但是这一全新的预言 ， 必须经历最严苛的实验 ， 毕竟这一预言与牛顿时代万有引力定律给出的预言有着天壤之别 。 而一次日全食 ， 就是一次独一无二的、直截了当的机会 。
阿尔伯特·爱因斯坦百年前一场日食，推翻了牛顿，捍卫了爱因斯坦
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广义相对论的扭曲示意图
阿尔伯特·爱因斯坦百年前一场日食，推翻了牛顿，捍卫了爱因斯坦
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被引入探究太阳系的恒星与行星的空间曲率 ， 必须在所有的太空飞行器能观测到的结果中被考虑在内 。 广义相对论的影响 ， 即使是那些极其细微的影响 ， 在应用在太空探索、GPS卫星、探测经过太阳的光信号时也不能被马虎放过 。 （参考：美国航天局/加州理工大学喷气推进实验室 ， 卡西尼号任务 ， NASA/JPL-CALTECH, FOR THE CASSINI MISSION）
在牛顿的引力理论中 ， 有质量的物体会相互吸引；即使是没有质量的光 ， 由于它存在能量 ， 因此通过爱因斯坦的质能方程E = mc2（m = E/c2） ， 你可以分配一部分有效质量给它；如果你让光量子在一个大质量（物体）附近通过 ， 你就可以通过这份有效质量去预测星光弯曲了多少 ， 而且你得到的是一个准确值 。 在太阳的边缘 ， 这个数值低于1弧秒 ， 也就是1°的3600分之一（0.01592°） 。
但是在爱因斯坦的广义相对论里 ， 时间和空间都因质量的出现而扭曲 ， 然而在牛顿的理论中 ， 只有一个在空间中移动的物体才受引力的作用 。 这意味着爱因斯坦的理论预言了牛顿理论“2”的额外因素 ， 使得太阳附近光的偏角更接近2弧秒 。 （事实上应该比2更多 ， 尤其是当光量子更接近假设中的质量时 。 ）


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