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时间的形状 作者:汪洁 近现代)

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星光实验

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“首先我们找一个晴朗的夜晚,给某一块星空拍张照片。我们会看到很多星星彼此靠得很近,我们可以把他们彼此之间的距离测量出来。我们都知道恒星之所以叫恒星,就是因为它在天上的位置相对于地球是不动的,也就是说每年地球运行到同一相对位置时,这幅星空的照片应该是完全一致的,星星之间的距离也应该是完全相同的。地球绕着太阳做着圆周运动,那么每年地球都会有两次机会和恒星的相对位置保持一致,也就是在图5-10的位置A和位置B时。由于恒星离我们非常非常遥远,所以在位置A和位置B拍出来的同一块星空也是完全相同的,至少以人类目前的观测精度,是无法发现差异的。

爱因斯坦的“皇榜”已发,且看哪位英雄来揭榜。

【图5-10】每年地球在位置A和位置B时,其相对于恒星的位置是完全相同的

“我们可以发现,离太阳近的乙恒星的视位置会朝着远离太阳的方向偏这么一点点。这一点点是多少呢?根据我的计算,这一点点是1.7角秒。我知道你们心中的疑惑,当地球处在B位置的时候是根本无法看到恒星的,因为是白天,谁也无法在白天看到星星。可是,大家千万别忘了,有一个特殊的时刻可以在白天看到星星,那就是当日全食发生的时刻。我希望天文学家们别闲着,再下次也就是1919年日全食来临的时候,验证我这个伟大的预言。谢谢主持人。”

爱丁顿:“我都有点儿等不及了。”

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主持人:“谢谢,那么本期节目就到这里。我们期待着那一天的到来。”

爱因斯坦提出的这个星光实验是具有非凡意义的。为什么爱因斯坦自1905年发表狭义相对论直到1915年广义相对论的发表,10年来,这些理论在科学界一直受不到广泛的认同和重视呢?关键的原因就在于,之前提出的所有推论都无法用实验来验证。无论是时间膨胀也好还是空间收缩也罢,以当时的实验精度来讲,都是不可能测量出来的。但是这个星光实验就不同了,这是当时的观测精度能够达到的,是一个可以真实去做的实验,而爱因斯坦对这个实验的预测,在那个时代绝对可以用“疯狂”两个字来形容,毕竟“时空弯曲”这四个字对于大多数常人来讲,既无法想象也难以理解。现在,居然可以让人们真实地看见时空弯曲所产生的效应,这实在是有一种梦幻般的感觉。

(爱因斯坦在《相对论浅说》中的原文是这样的:尽管光线穿过引力场时其曲率极其微小,但是当星光掠过太阳时,其曲率的估计值达到1.7角秒,这应该以下述的方式来证明:从地球上观察,某些恒星与地球相隔并不遥远,因此它们在日全食时能够被加以观测,当日全食时,这些恒星在天空中的视位置与非日全食时相比,应该偏离太阳。这一个极其重要的推断,它的正确与否,希望天文学家能够早日予以解决。)

爱因斯坦:“谢谢。我给大家带来的这个实验叫作星光实验,有些魔术家可以把飞机瞬间挪动位置,而我,要把星星挪动位置,并且,这不是魔术,是真实的世界。

星光实验的成功,让爱因斯坦瞬间走红全世界,一战成名。全世界的记者蜂拥而至,镁光灯乱闪,全球的各大报纸争相报道。英国的《泰晤士报》刊出头版大标题“科学革命——宇宙新理论——牛顿理论大崩溃”。最可爱的要属美国人了,《纽约时报》不知道出于什么原因,派出了一个专门采访高尔夫球赛的记者去采访爱因斯坦,结果这个“科盲”记者几乎把所有的知识都搞错了,并且错得离谱,最后文章居然还发表了,据说这是美国人接受相对论比别的国家较晚的原因之一。

【图5-11】太阳的引力使得星光偏转,恒星的视位置发生了位移

“但是,请大家注意,下面是我要说的重点:当地球在位置B时,与在A位置相比,有一个巨大的不同,那就是太阳挡在了中间。根据我的广义相对论,太阳的引力是如此之大,以至于星光经过太阳时会发生弯曲,从而使我们在B位置观察到的那些离太阳比较近的恒星的视位置发生可以观测到的改变。那么如何检验恒星的位置发生了改变呢?我们只要测量离太阳很近的恒星与其他离太阳很远的恒星之间的距离即可。拿在位置B处和在位置A处的星空照片相比较,我们会发现,恒星之间的距离发生了变化,这就好像魔术师凭空把星星挪了个地方一样,请看图5-11。

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爱丁顿(Eddington,1882-1944),英国的大天文学家,只比爱因斯坦小三岁,爱因斯坦的第一个粉丝。他相信相对论,决定去完成爱因斯坦交给天文学家的这个使命,验证星光实验的预测到底准不准确。最近一次日全食将在1919年到来,当时,第一次世界大战还没有完全结束,世界各地都还有未尽的战火,但是爱丁顿这些科学家们已经等不及了,毅然决定冒着一战的炮火,奔赴日食发生地去进行观测。特别有趣的是,英国和德国是一战中的敌对国,爱丁顿是英国人,爱因斯坦可以被认为是德国人(他拥有德国国籍,出生并长期生活在德国),于是我们看到一个英国人为了证明德国人的理论,不惜风尘仆仆、远征万里,这为战后两国修好做出了巨大贡献。为了使观测的误差降到最低,同时也为了取得更多的公信力,爱丁顿还以他的号召力邀请到了很多出名的天文学家,比如柯庭汉、克罗姆林、戴维森等。他们分成了两个远征观测队,一个队远赴巴西的索布拉尔,另一个队由爱丁顿亲自率领,远赴西非的普林西比岛。1919年5月29日,日全食如约而至,虽然当时天公不作美,两支远征队都遇到了阴天,但是在最关键的时刻还是拍到了至少八颗恒星的照片。他们把照片带回英国后,和半年前拍摄的照片仔细比较,经过长达五个月的数据分析,同时邀请了全世界的天文学家齐聚英国皇家研究所一起分析与计算,最后,他们宣布,爱因斯坦的理论取得了完美的证实,观测值与理论计算值吻合得非常好!“这是一次彻底而满意的结果。”爱因斯坦自己说。

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