一个戏剧性的声明

1919年11月7日,新闻文章发表在英国伦敦时报,耸人听闻的标题,“universe-Newton science-New革命理论的想法被人反驳。”这篇文章报道天文观测的结果由两个探险同年早些时候,一个位于普林西比岛,在非洲西海岸附近,和其他城市的Sobral在巴西。从这两个地方,可以观察一个完整日食在同一天。这些观察的目的是检查一个爱因斯坦的广义相对论的预言。爱因斯坦声称来自遥远的恒星光线的路径将成为弯曲他们通过太阳向地球。

怎么能观测弯曲光线支持爱因斯坦的理论和改变人们看待空间的方式,时间,和重力吗?让我们先从一些背景知识。

狭义相对论的理论

1905年是最为行之有效的一年的科学生涯Jewish-German物理学家阿尔伯特·爱因斯坦。那一年,他制定了狭义相对论理论。这个理论是基于两个假设:

首先,这个理论适用于系统匀速运动彼此。这个简单,让我们想象一个人坐在一个车厢。窗户被覆盖,没有听到车轮在轨道上的声音。如果火车以一个恒定的速度移动,没有实验,这个人在火车上可以确定列车的速度,决定如果是移动或静止的平台。

第二个假设告诉我们,光的传播行为与其他的运动大不相同。光速总是常数并不取决于光源的速度或观察者的速度。为了说明这一点,当我驾驶我的车,问隔壁车开得有多快,答案是依赖我的速度。如果邻近的汽车正在和我的车一样的速度,那么它将似乎静止相对于我的车。但是,如果我开车慢一点,另一辆车将会出现远离我。爱因斯坦的观点是光的行为以不同速度是独立于谁是测量它的运动状态和源的速度发出光。

这听起来很奇怪吗?它变得更奇怪!从这两个假设是,如果两个人彼此相对移动,他们衡量一个特定对象的长度,他们会得到不同的结果!此外,如果他们测量两个事件之间的时间,他们不会同意,通过它们之间的时间。有时,他们甚至会不同意先发生了的事件!测量距离、时间和事件的同时性相对,这意味着他们依靠谁的运动状态进行测量。距离和时间的概念在爱因斯坦的狭义相对论是非常不同的世界观数学家和物理学家牛顿提出的英语。根据牛顿的理论,空间和时间,是单独的实体和它们absolute-the空间时间和距离测量的结果独立于任何正在进行的运动。

从爱因斯坦的理论之一,著名的结论是,质量和能量相当于一个另一个结论是由最著名的配方科学,E = mc²。E代表能量,m代表质量,c是光速。根据这个公式,少量的质量可以转化为巨大的能量。在提供核能反应堆,这些过程发生在一个可控的方式。在原子弹,他们出现在一个不受控制的方式,导致灾难性的爆炸。在太阳的核心,四核氢融合在一起的一个复杂的过程,成为氦的原子核。一个氦核的质量是略小于四个氢原子核的质量。迷失在这个过程的质量成为能源和太阳的能量的来源,因此,地球上的生命的源泉。

广义相对论的理论

狭义相对论的理论有两个主要的局限性:首先,这种理论只涉及系统以恒定的速度;它不占加速运动,这意味着运动加速或减慢,像旋转木马或改变其方向。第二个限制是狭义相对论不能考虑引力,中央的力量,拥有月亮在固定的轨道上绕地球和行星绕太阳的轨道。

完成后的狭义相对论,爱因斯坦开始寻找一个理论,可以自由这两个限制。他搜索了10年广义相对论。这一理论的主要观点是,两个对象之间的引力力量—吸引力不是一个力,在牛顿的理论,但空间的一个特征,或更准确地说,空间和时间。在爱因斯坦的新理论,空间和时间结合成一个entity-space-time。在牛顿的理论中,空间和时间是所有物理过程发生的“舞台”。在爱因斯坦的理论,时间和空间参加在这些流程和受到他们的影响。根据爱因斯坦的理论,宇宙中巨大的物体质量,像行星和恒星,曲线周围的时空。这意味着对象和光线通过宇宙正在通过弯曲时空移动。很难解释这个概念,很容易理解。甚至物理学家研究这种现象有想象弯曲时空的困难。这些概念是最好的数学描述的语言,使用方法由数学家在十九世纪。使用这些方法,1915年爱因斯坦发现方程描述时空的结构质量的影响,并从这种影响接下来的运动方程。这些方程是爱因斯坦的伟大成就,是一切的基础,我们知道universe-how它开始,它如何发达,什么是它的结构。

观测日食验证爱因斯坦的理论

当爱因斯坦开始发展他的广义相对论理论,他已经知道,光束弯曲的太阳附近。甚至在他最后的理论之前,爱因斯坦计算这些光束曲线,但多少,虽然他不知道当时,他得到的结果比正确的价值的两倍。1913年,爱因斯坦写信给天文学家乔治·黑尔威尔逊山天文台主任,美国最大的天文台。黑尔爱因斯坦问如果有一种方法观察附近的恒星太阳在白天。黑尔说,观察这些恒星的唯一方法是在一个完整的日食。

您可能仍然想知道为什么日食需要证明爱因斯坦的理论。首先,重要的是要记住,看到太阳引力的影响来自遥远星球的光线,太阳和星星我们之间必须observing-meaning应该在白天进行。通常情况下,是不可能看到星星在白天因为阳光明媚!但是,日食期间在阴沉的天空下,那些星星将是可见的。日食是因为月球绕地球公转的轨道的平面弯曲的平面相对于地球绕太阳运行的轨道。偶尔,地球,月球,太阳交叉路径的方式形成一条直线。,当这一切发生的时候,月亮遮挡了太阳,就会发生日食。但月亮太小了,整个地球上投下一个阴影,因此有完整的日食发生的地区,和在其他领域只有部分。

爱因斯坦推论,如果天文学家相比日食期间拍摄的明星,当太阳出现在地球和星星之间,的照片相同的恒星在夜间当太阳之间并不是地球和星星,星星的位置应该似乎发生了变化。如果恒星的位置两张照片之间的不同,这将表明太阳的引力场是弯曲的从这些恒星光线的路径(图1)。

德国天文探险计划执行观测全日食期间8月21日,1914年在俄罗斯克里米亚地区。然后第一次世界大战开始,远征被俘及其设备被没收。

研究人员终于得到另一个机会在日食5月29日,1919 (图2)。当时,爱因斯坦已经有了最终的广义相对论,在此基础上,预测曲线的速度是比他以前的两倍。如前所述,这些观察是获得两个位置,Sobral和普林西比。经过几个月的观察分析,这不是一个简单的任务,使用的资源可用,探险的董事,亚瑟Edington和查尔斯·戴维森,连同皇家天文学家弗兰克·戴森爵士说,“探险Sobral和普林西比离开的结果几乎毫无疑问在围绕太阳光线的弯曲的事实确实发生,而且其速度匹配,根据爱因斯坦的相对论。“事实上,这种预测的广义相对论被证实由独立测量距离较远的两个地点在帮助使科学界相信这个结论是正确的。

爱因斯坦的理论的影响

这是一个非常重要的结果。它不仅提供一个确认的爱因斯坦的广义相对论,但是它也帮助科学家理解有价值的天文现象引力透镜效应,它可以帮助科学家们研究宇宙。的光波曲线通过太阳附近很小。对象与更大的质量,就像黑洞,甚至整个星系,可能会导致在更为强大的弯曲,以至于这些巨大的物体背后的光源可以看到通过我们的望远镜。爱因斯坦发现了引力透镜效应的可能性,早在1912年,但是他只出版了他的思想和相关计算24年后。

耸人听闻的新闻文章的标题报道英国探险的成功导致了太多的兴奋在科学界。也引起了公众的兴奋,这是时期的放大,因为本文是迥异于几年一战之后,花了数百万人的生命的受害者和导致大毁灭。文章提醒人们人类思维的情报,显示他们可能有国际合作科学。这引起了新的希望。公众的兴趣和赞赏,爱因斯坦都高,一夜之间他便成为了一个超级巨星。爱因斯坦喜欢这状态,直到他生命的最后,他仍然是著名的和受人尊敬的今天。

作者的注意

哈诺古德菲瑞德也股振奋的一个独特的手稿的重要性,这是2021年11月拍卖。这手稿展示了阿尔伯特·爱因斯坦和他的终生好友,Michele Besso,一起检查的后果在1913年爱因斯坦发表的初步理论。他们的工作的结果帮助爱因斯坦完成他的广义相对论2年后。了解更多在这里!

更多的阅读

一百年的事件是本文的主题,两本书出版,描述其科学和历史背景:美国詹姆斯·盖茨jr .)和凯蒂佩尔蒂埃,证明爱因斯坦权利大胆改变了我们如何看待宇宙探险,Hachette图书集团,2019年。丹尼尔Kennefick,没有怀疑的阴影1919 Eclipse证实了爱因斯坦的相对论,普林斯顿大学出版社,2019年。

术语表

日食:↑现象发生,当月亮是直接在太阳和地球之间,这月亮的影子投射在地球的一部分。

狭义相对论理论:↑爱因斯坦的理论的发展,于1905年出版,介绍了相对论空间和时间测量的概念。

引力:↑自然的基本力量之一。这是一个吸引对象之间的作用力,并受到它们的质量和它们之间的距离。

广义相对论:↑爱因斯坦在1915年发表的一个理论是狭义相对论的理论的扩展来处理系统移动速度和重力变化。

引力透镜效应:↑现象中一个物体的重力高质量曲线背后的光线来源位于这些对象,所以他们对我们的望远镜是可见的。

的利益冲突

作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。