爱因斯坦的成名时刻星光的引力偏折(上)
如果对物理史有一定了解的朋友,想必对标题中所言的"星光的引力偏折"这一说法并不陌生,这正是爱因斯坦提出广义相对论后,第一个为大众所熟知的预测实验,也是他公众知名度蹿升的时刻。
今天所讲的内容就是关于这一伟大实验所经历的前后历程,分为上下两篇文章,这是上篇。
爱因斯坦的广义相对论是在1915年诞生的(也就是狭义相对论诞生后过去了10年),但这个关于光线会在引力场中偏折的结论,却早在1911年就已经得出,之后的实验(1919年)证明虽然定性的结论没有错(光线的确会偏折),但数值结论却是1911年结论的两倍左右,好在爱因斯坦赶在实验前又重新修正了结论。
在此之前,我们必须得讲一下著名的等效原理,这也是后来广义相对论的重要基石。1907年,爱因斯坦还是伯尔尼专利局的一名专员,大约是11月份的某一天,爱因斯坦突然灵光一现:"一个自由落体的人是无法感受到自身重量的。"就这短短的一句话,实则暗含了引力场与加速场在一定条件下的等价联系。
(补充理解:我们可以考虑在空旷的宇宙空间中存在一个密封的电梯轿厢,并且轿厢底部装着引擎,且以地球表面重力加速度的数值进行加速飞行。此外还有一位倒霉蛋由于昨夜过度饮酒导致昏睡不省人事,在这样的情况下,他被人放进了电梯轿厢。
一切都很安静,直到这个倒霉蛋酒醒了,他略吃力的站了起来,在轿厢底部来回踱步,虽然刚刚醒酒,但意识已经清晰了,他认出了这是电梯内部,并且这个电梯并没有启动,因为他丝毫没有感受到加速度的存在。他的内心坚信,我只要把电梯门扒开就能获得自由(潜台词就是:我仍在地球上,处于引力场中)。
而在另一个平行时空,这个电梯内放的不是一个酒鬼倒霉蛋,而是一台极其精密的科学仪器,它能从电梯轿厢的一侧发出平行于底部的激光,而在另一侧则有一个接收屏。因为这是人为设计的实验,因为实验的结论都是建立在电梯存在加速度的前提下而得出的,很显然,由于加速度的存在,这束激光并不能平行于轿厢底部笔直的飞行,接收屏幕上的点势必要往下降一些。这一点大家很容易想象。
此时我们将两个时空里的结论综合一下发现:在小范围内引力和加速度是等价的,光线既然能在加速场中弯曲,那么也能在引力场中弯曲,因此光线在经过天体时都会偏折。)
在有了等效原理的雏形后,爱因斯坦便着手计算了一下引力红移现象,即光子在离开天体时,能量会下降。而对于光线在天体附近的偏折,却一直到了1911年才着手计算,由于当时广义相对论还没有完全成型,因此计算结果是完全是基于等效原理的,并不涉及时空弯曲这一广义相对论的精髓(所以说,1911年的数值结论是错误的)。
1911年6月,爱因斯坦将这一结论用论文的形式发表出去,题目就是《关于引力对光线传播的影响》,当时给出的结论是:光线在经过太阳表面时,会偏折0.83角秒(这个结论是按照当时的天文数据得出的,如果用现在的数据,则是0.87角秒)。
实际上,"光线经过天体会发生偏折"这一结论并不是相对论独占的,用牛顿力学同样可以算出一样的结论。(在1784年,著名科学家卡文迪许就曾得到过这样的结论,但是并未发表)
用牛顿力学解决这个问题并不困难,以光粒子的角度出发(实际上就想象为一颗具有质量的光速小球),切入太阳表面,随后利用万有引力公式进行计算,最后求出前后速度的偏折角度即可,最后的公式如下图
其中G是引力常数,M是太阳质量,r是太阳半径,c是光速
弧度制的结果是4.212*10的负六次方,换算为角度制,就是0.87角秒。
但是注意,不管是1911年爱因斯坦利用等效原理得出的结论,还是牛顿力学给出的结论,实际上都是错误的,真正的结论是爱因斯坦在1915年重新修正得到的。
说了这么多光线偏折结论的前因,那么最终又是由谁来证实了这一结论呢?
本篇文章的内容到此结束,明天再给出下篇。
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