100年前,阿尔伯特·爱因斯坦是德国柏林大学的一名教授,那时他的姓名还没有众所周知,只为少量的科学家、知识分子和身边的人所熟知。
1919年5月29日是一个重要的日子,尤其是对爱因斯坦来说,就在这一天,当月球刚好运动到太阳和地球之间时,日食证明了爱因斯坦广义相对论的正确性,让爱因斯坦一会儿声名大噪,成为了那个时期最具威望的科学家。而广义相对论也替代了牛顿的引力理论,成为了解说空间最有力的物理理论。
正值这个前史性的日子100年之际,让咱们咱们一同去了解这段前史吧。
注视太阳
1687年,艾萨克·牛顿宣布了他的巨作《自然哲学的数学原理》,提出了万有引力定律:世界中相隔必定间隔的恣意两个有质量的物体间有引力的效果。根据牛顿的理论,空间仅仅一个固定的布景,引力形成了物体的运动。在一段时刻内,牛顿的万有引力理论很好地解说了一些天体的运动,包含月球绕地球的运动,乃至还成功猜测了海王星的轨迹。
可是万有引力定律也有许多问题,最典型的问题便是水星的进动问题。每个行星环绕太阳以椭圆轨迹运动,一般有远日点和近日点,这些轨迹并不是固定的,以太阳为中心,行星轨迹会缓慢地变换方位。行星每转一圈,其近日点便会发作偏移,称之为近日点进动。偏移主要是由岁差和摄动引起的,可是使用牛顿定律的计算成果与实践的观测成果之间存在着不行疏忽的差异。1859年,法国天文学家勒威耶发现这一差异为水星近日点每100年进动38角秒(视点单位,1度等于3600角秒);1882年,加拿大天文学家纽康对这一数值进行了校对,得出水星近日点进动值为每100年43角秒。所以为了解说水星进动的现象,爱因斯坦提出了广义相对论。
在1915年提出的广义相对论中,爱因斯坦对牛顿提出了直接的应战。广义相对论扔掉了引力将物体拉到一同的观念,提出空间和时刻一同形成了一个四维的东西叫做时空,而所谓的引力其实便是物体对时空的歪曲,一个物体的质量越大,时空的变形就越大,它邻近的物质遭到曲折时空的影响而向它接近。在本来平直的时空上放一个恒星,时空发作曲折,就像在一张拉直的布上放了一个重物,而发作了陷落相同。
因为太阳的质量很大,所以太阳邻近的时空就歪曲了,正好形成了水星的进动,并且爱因斯坦的计算成果也刚好契合观测成果。不过,其时的人们仍是不认同广义相对论。
根据爱因斯坦的理论,光也会经过时空,在大质量天体的邻近也会改动途径。当一个发光的天体处在另一个大质量天体后边的时分,咱们也是有时机看到它的,只不过因为光线发作了曲折,咱们正真看到的天体方位并不是它本来的方位,这便是“引力透镜”现象。形成光线改动的大质量天体叫做透镜天体,它的周围常常会呈现几个亮点,有时也能观测到这些亮点连成一个美丽的圆环,即“爱因斯坦环”。在透镜天体背面宣布光线,并呈多个亮点的天体,则称为“源天体”。
在爱因斯坦开展广义相对的10年中,他意识到太阳的质量足以使这种效应有目共睹。当然,查验这个猜测并不简单,因为太阳光太耀眼了,咱们在白日看不到它背面的星星。而晚上呈现的星星并不是太阳背面的恒星,所以太阳并没有曲折它们宣布的光。只有当太阳出来了,可是它的光被挡住了,人们才干验证爱因斯坦的理论。这也是1911年,爱因斯坦研讨广义相对论时,要求天文学家在日食期间观测天空的原因。
搜索根据
第一个企图验证广义相对论的人是德国天文学家欧文·芬莱-弗伦德里希。他是一个悲剧性的人物,终身的大部分时刻都致力于证明爱因斯坦曲折光线的正确性,但从未成功。芬莱先是剖析日食的相片,可是因为相片上的星星不行明晰,他便筹集了一笔钱前往乌克兰,因为在那里能够调查到1914年的日食。不幸地是,第一次世界大战迸发,俄国战士俘虏了芬莱,没收了他的观测仪器。
除了芬莱,来自美国加州立克天文台的天文学家也企图在乌克兰基辅邻近拍照日食,可是却遭到了大自然的阻遏:云层遮住了他们的视野。因而,在1914年,没有人能协助爱因斯坦证明他的理论。不过,在最近一段时刻里,爱因斯坦对自己理论中的一些小的计算错误进行了批改,最终出书了完好的广义相对论。
后来,一份爱因斯坦理论的副本落到了英国剑桥天文台主任阿瑟·爱丁顿的手中。爱丁顿信任爱因斯坦的理论,与英国天文学家弗兰克·沃森·戴森协作想出了一种处理争辩的办法。
在1919年5月29日的日食期间,太阳将处于地球和毕星团之间。这是一个亮堂的球形星团,具有300多颗成员星。在日食期间,天文学家会有6分钟的时刻来观测它。他们方案将日食期间拍照的毕星团图画与几个月后毕星团在夜空中呈现时的正常图画进行比较,调查光线是否有偏移以及偏移的程度。
爱丁顿与戴森深知拍照日食的困难性,所以组织了两个部队:爱丁顿前往非洲西海岸外的普林西比岛,另一队前往巴西索布拉尔岛。当1919年决定性的一天到来时,尽管气候并不非常抱负,可是爱丁顿仍拍照到了关键性的相片,证明了爱因斯坦的正确性。
随后,爱因斯坦的姓名便众所周知,乃至成为了天才的近义词。不过,一些质疑的声响依然存在,美国天文学家乔治·埃勒里·黑尔就曾在一封信中承认到,广义相对论仍让他难以了解。但进一步的日食观测持续为广义相对论供给根据。1922年澳大利亚的日食和1923年墨西哥的日食再次证明了相对论。
1919年的日食是爱因斯坦成为科学界超级巨星的第一步,也是最重要的一步,而真实让他流芳百世的是其理论的正确性。不过,科学一直在开展之中,新的理论也层出不穷,谁也不知道何时广义相对论就会被彻底替代。
水星的岁差、摄动和进动
岁差是指一个天体的自转轴指向在空中缓慢且接连的改变,例如,地球自转轴其实便是在旋转的,以大约25786年为周期扫出圆锥的形状。这是因为地轴并不是彻底竖直的,地球也不是完美的球形,是太阳和月亮对地球和轨迹面的引力有小视点形成的。岁差引起了90%的水星近日点进动。
摄动是指其他天体对作轨迹运动的天体所施加的引力效果。对水星来说,主要是金星、地球和木星的摄动会引起近日点进动。
水星近日点每百年会进动5600角秒,在作了5025角秒的岁差校对和532角秒的行星摄动校对后,仍有43秒的世纪进动。