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，世界汗青此后被改写。数百年以来，艾萨克·牛顿的万有引力定律——宇宙万物的吸引力轨则——在学界占有着无可撼动的地位，因为在谁人年月，几乎所有的天文观测究竟，都和牛顿的预言完美相符。然则在19世纪中期，跟着水星的围绕轨道也被天文学家观测出，牛顿的预言却和这一究竟发生了误差。于是，浩瀚科学家起劲地去注释误差发生的原因。 （原文来自久久自媒体）

（原文来自久久自媒体）

牛顿&爱因斯坦

或许，是时候要学者们点窜一下牛顿的引力定律了。狭义相对论降生时，最有说服力的证据便显现了，由它人们揣摩出这世上并没有“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，等一次日全食就能够了。百年后，爱因斯坦的理论被证实是准确的。接下来，我将给人人注释这段传奇。

像日全食这般的天文现象能够为验证爱因斯坦的理论供应举世无双的机会，因为其他遥远的天体的光路在经由太阳四周时会发生偏折，然则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。这一方式在1919年5月29日获得了应用，目的是为了第一次证实爱因斯坦的广义相对论。

日食示意图

在本世纪，爱因斯坦的广义相对论是人类汗青受骗之无愧的最成功的的理论。从GPS旌旗的批改到引力红移，从引力透镜到黑洞的归并，甚至是脉冲星的计时和水星的围绕轨道。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，固然对于前任牛顿的成功，它能够予以反复；对于牛顿理论测不出的水星轨道，它也能够给出注释，然则这一全新的预言，必需履历最严苛的实验，究竟这一预言与牛马上代万有引力定律给出的预言有着天地之别。而一次日全食，就是一次举世无双的、斩钉截铁的机会。

广义相对论的扭曲示意图

被引入探究太阳系的恒星与行星的空间曲率，必需在所有的太空航行器能观测到的究竟中被考虑在内。广义相对论的影响，即使是那些极其细微的影响，在应用在太空索求、GPS卫星、探测经由太阳的光旌旗时也不克被纰漏放过。（参考：美国航天局/加州理工大学喷气推进实验室，卡西尼号义务，NASA/JPL-CALTECH,FORTHECASSINIMISSION）

在牛顿的引力理论中，有质量的物体味互相吸引；即使是没有质量的光，因为它存在能量，是以经由爱因斯坦的质能方程E=mc²（m=E/c²），你能够分派一部门有效质量给它；若是你让光量子在一个大质量（物体）四周经由，你就能够经由这份有效质量去展望星光弯曲了几多，并且你获得的是一个正确值。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°）。

然则在爱因斯坦的广义相对论里，时间和空间都因质量的显现而扭曲，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感化。这意味着爱因斯坦的理论预言了牛顿理论“2”的额外身分，使得太阳四周光的偏角更接近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。）

牛顿和爱因斯坦的概念对比（图源NASA）

一份对引力透镜的解说揭示了配景星系——或许是随意一条光路——是若何被显现的中央质量扭曲的，但它同时展示了空间是若何被前景质量弯折和扭曲的。在爱因斯坦提出广义相对论之前，他就领略弯折必然会显现，尽管（在其时）很多论据仍然值得被质疑，直到（甚至是在这之后）1919年的那场日食证实了他的假说。牛顿和爱因斯坦关于弯折水平的假说有着天地之别，这是因为在广义相对论中，时间和空间都为质量所影响。

于1687年提出的牛顿重力理论，是一条不凡的普世轨则：将两个有质量的物体置于宇宙的随意一个角落，只要给定二者的距离，我们立时就能够知晓它们之间的万有引力。下至地面上的铁球，上至天上的星宇，它们的活动一切可用这套理论来注释。在此后的200年，它履历了数场雷同的验证，无一失手。然则，在一次令人困扰的观测中，实际生怕和牛顿理论完全脱节：那就是观测太阳系最内层行星的活动细节。

在测出了天王星的轨道非常、发现了海王星之后，，法国天文学家勒威耶集中精神去解决水星轨道非常的问题。他提出了假说，预言了内部行星回禄星（也作火神星）的存在，并试图以它作为注释。尽管回禄星事实上并不存在，然则恰是勒威耶为论证它所作出的大量较量工作为爱因斯坦指清楚最终的谜底：广义相对论。（维基共享资源，用户REYK）

每个行星的绕行轨道都大略呈卵形。然而这一卵形轨道并非完全静态，这些行星并不是每次公转后都回到宇宙中的统一个位点，实际上，它们也在做旋进活动。若是在宇宙空间中视察，旋进活动使得椭圆轨道也跟着扭转，尽管非常迟缓。因为水星在16世纪末被第谷以惊人的正确度观测到，所以在此后300多年我们把握着（在那时）十分正确的数据，解决问题的手段也变得进步。

旋进示意图

凭据牛顿的理论，因为地球日夜等分点的旋进和其余行星对水星的引力感化，水星的轨道应该每百年旋进5,557秒。然则在观测究竟中，我们发现这一数值该当是每百年5,600秒。这一每百年43秒的不同（或许就换算成每年0.00012度），在牛顿的经典力学理论框架中无以注释。时人认为，要么是水星轨道内侧还有一颗行星（在观测中被清扫掉了），要么，就是我们既有的引力理论出了问题。

在注释水星的轨道时，凭据两种分歧的引力理论，当另外行星的感化、地球自身的活动被清扫后，牛顿的假说倾向于一个闭合的椭圆，而爱因斯坦的假说倾向于一个旋进的椭圆。（维基共享资源，用户KSMRQ）

然则爱因斯坦的理论看起来能注释这一误差。他破费多年竖立起广义相对论的框架，在那边引力不是因为质量之间的互相吸引发生的，而是因为物质和能量在空间构造中沿曲线活动，随后物体从个中穿过所形成的。当引力场较弱时，与爱因斯坦理论的究竟比拟较，牛顿的轨则是一个更好的估量。

然而，当接近于大质量或许高速时，爱因斯坦的假说与牛顿的分歧，爱因斯坦的假说预言了每百年43秒的误差。然则推翻一个科学理论的门槛可没这么低。若是想要庖代一个旧的理论，新的学说必需完成下列事项：

重现旧有理论已取得的功效（不然，从某些方面来说，旧有理论照样进步的），在方式上继续旧有理论无法继续的（不然，你的新理论不克用于注释旧理论提出的问题），然后做出一个你能够证实的假说，并区别新旧两派的设法（不然，你的学说不具有科学预言的力量），

而对于爱因斯坦来说，最后一步就是——守候日食。

光的弯折示意图

在一场日全食中，恒星显现的位置与它们实际地点的位置并分歧，这是因为太阳——这一伟大的中央质量——使光发生了弯曲。偏折的水平会被光波在空间中穿过区域的引力感化的强度决意。（E.SIEGEL/BEYONDTHEGALAXY）

当星星在夜空中闪耀，从多数光年以外进入我们眼帘的星光来自于宇宙的分歧位置。若是牛顿是准确的，也就是说光要么经由一条笔直的直线达到地球，不被它所经由的任何质量偏折（若是光没有质量），要么它会因为质能等效性被引力感化，从而发生弯曲。（究竟若是考虑E=mc²，你或许也能够假设光存在有效质量m=E/c²）

然而爱因斯坦的理论，稀奇是当光超近距离穿过一大块质量时，供应了一个与这两种情形都不沟通的假说。2的额外身分（或许说2的额外兆分之一）是爱因斯坦学说中一个独到的、精准的预言，并且是一年中能够有两次观测机会加以证实的预言。

光的弯折示意图

固然有些人会质疑，牛顿的引力已经预言了无偏折和可用牛顿力学定律和质能方程E=mc²注释的偏折，然则最完整靠得住的爱因斯坦的预言却和牛顿的两者都不沟通。（美国航天局/宇宙时代/戈达德太空航行中心，JimLochner&BarbaraMattson）

我们已知和地球接近的最大的物质就是太阳，太阳光使得星光平日不克在白日被肉眼所见。当星光穿过太阳的边缘时，参考爱因斯坦的说法，它会沿着弯曲的空间穿行，使得光路看起来像是弯折的。然而，在日全食过程中，月亮挡在太阳的前面，遮住了绝大部门的太阳光线，使得白日像晚上一般阴郁，这也就缔造了白日视察星星的绝佳机会。

若是你先前测量过天空中星球的位置，并达到了充沛正确的精度，你就能知道这些星球是不是移动过——顺便还能知道它们移动了几多——因为谁人伟大的、临近的质量的显现。若是你能够以高于弧秒的精度探测到一个偏折过的位置，你就能够深深地认识究竟是牛顿，照样爱因斯坦，亦或两人都没有，得出准确的结论。

1900年的日食

有一张星空的相片底片被确认是在1900年的一场日食中拍摄的（上图）。值得存眷的是，固然日冕和恒星都能够被识别，星体的正确位置不足以用来检测广义相对论的准确性。（谢伯特太空及科学馆）

1902年的日食

很多拍摄于日全食的太阳的底片已经揭示了先前的日冕层的具体细节，同时也给出了白日恒星显现和存在的位置。然而，没有一张像如许先前存在的照片达到了用来测试的质量，正确度也达不到要求；星光的偏折是一种非常难以区分的现象，以至于需要非常正确的测量手段去探测！

在爱因斯坦完成广义相对论的1915年后，曾经有一些机会来检测这一理论：1916年，一战干扰了检测；1918年，观测的测验因被云层遮挡而了结；一向到1919年，第一次测试才顺利告捷。天文学家亚瑟·爱丁顿组织了一支科考队，它们分成了两小队，一个前去巴西，一个前去非洲，以期拍摄、测量这些星体的位置。值得一提的是，这一次日全食是20世纪最长的一次日全食，陆续了几乎7分钟。

在1919年爱丁顿科考队收集的照片中，岂论是正片照样负片，都展示了（尽管有一些干扰的线）被识别为可用作测量太阳对光的偏折的星星的位置。这是人类汗青上第一次对广义相对论做出的直接的，基于实验性的证实。（爱丁顿等，1919）

这些观测究竟的影响是压服性的、极其深远的：爱因斯坦的学说完全准确，而牛顿的假说在太阳对星光的偏折这一事实眼前被彻底推翻。固然证实过程中的使用的数据和剖析富有争议，很多人借此训斥爱丁顿（甚至如今依然有人这么做）是“把书煮了”才获得这么个证实了爱因斯坦预言的究竟，随后的日食观测却依然证实了广义相对论就是能够用来解决牛顿引力之外的未解之谜。

爱因斯坦和爱丁顿

值得一提的是，经由对爱丁顿工作郑重的从新剖析，究竟显露，它切实能够用来证实广义相对论的准确性。全世界报刊业的写手都起头宣传这一伟大的成功，甚至百年今后的本世纪，一些世界顶级的科学作家仍然在出书关于这一伟大成就的文学作品。

有趣的是，其时..、伦敦新闻画报，头条的质量和深度竟然有伟大的不同，离别展示了两国记者对这一难以置信的科学冲破的兴奋与不懈。不管如何，光在接近质量的时候会发生弯折，弯折的水平的确被证实相符爱因斯坦的假说。（..，1919年11月10日(L)；伦敦新闻画报，1919年11月22日(R)）

在事件的一百年数念日时。恰是这一次科考确立了爱因斯坦的广义相对论在注释引力的道理方面的领先地位，使之成为了人类的领先学说。牛顿的经典力学仍然非常有效，然则仅仅在有限的前提下成立，使之作为对爱因斯坦学说的切近。

晚年的爱因斯坦

与此同时，广义相对论已经持续成功预言了诸如惯性系拖曳效应、引力波等的存在，也或者遭遇与它的预言相悖的天文观测。这标记着百年的逝去，纪念着谁人揣摩出广义相对论成立的日子，甚至包含着一些将来甚至连广义相对论也或者被推翻的意味。固然，我们一定弗成能认识宇宙的悉数奥秘，就像我们不认识量子学说下的引力事实是怎么回事，这倒是用来纪念所有我们的已知的日子。严苛的证实已经由去了百年，我们最好的引力理论仍然不会停下成长的脚步。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

translate:Cherish

author:EthanSiegel

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