愛因斯坦的成名時刻:星光的引力偏折(上)

如果對物理史有一定了解的朋友,想必對標題中所言的“星光的引力偏折”這一說法並不陌生,這正是愛因斯坦提出廣義相對論後,第一個為大眾所熟知的預測實驗,也是他公眾知名度躥升的時刻。

愛因斯坦的成名時刻:星光的引力偏折(上)

今天所講的內容就是關於這一偉大實驗所經歷的前後歷程,分為上下兩篇文章,這是上篇。

愛因斯坦的廣義相對論是在1915年誕生的(也就是狹義相對論誕生後過去了10年),但這個關於光線會在引力場中偏折的結論,卻早在1911年就已經得出,之後的實驗(1919年)證明雖然定性的結論沒有錯(光線的確會偏折),但數值結論卻是1911年結論的兩倍左右,好在愛因斯坦趕在實驗前又重新修正了結論。

在此之前,我們必須得講一下著名的等效原理,這也是後來廣義相對論的重要基石。1907年,愛因斯坦還是伯爾尼專利局的一名專員,大約是11月份的某一天,愛因斯坦突然靈光一現:"一個自由落體的人是無法感受到自身重量的。"就這短短的一句話,實則暗含了引力場與加速場在一定條件下的等價聯繫。

愛因斯坦的成名時刻:星光的引力偏折(上)

(補充理解:我們可以考慮在空曠的宇宙空間中存在一個密封的電梯轎廂,並且轎廂底部裝著引擎,且以地球表面重力加速度的數值進行加速飛行。此外還有一位倒黴蛋由於昨夜過度飲酒導致昏睡不省人事,在這樣的情況下,他被人放進了電梯轎廂。

一切都很安靜,直到這個倒黴蛋酒醒了,他略吃力的站了起來,在轎廂底部來回踱步,雖然剛剛醒酒,但意識已經清晰了,他認出了這是電梯內部,並且這個電梯並沒有啟動,因為他絲毫沒有感受到加速度的存在。他的內心堅信,我只要把電梯門扒開就能獲得自由(潛臺詞就是:我仍在地球上,處於引力場中)。

而在另一個平行時空,這個電梯內放的不是一個酒鬼倒黴蛋,而是一臺極其精密的科學儀器,它能從電梯轎廂的一側發出平行於底部的激光,而在另一側則有一個接收屏。因為這是人為設計的實驗,因為實驗的結論都是建立在電梯存在加速度的前提下而得出的,很顯然,由於加速度的存在,這束激光並不能平行於轎廂底部筆直的飛行,接收屏幕上的點勢必要往下降一些。這一點大家很容易想象。

此時我們將兩個時空裡的結論綜合一下發現:在小範圍內引力和加速度是等價的,光線既然能在加速場中彎曲,那麼也能在引力場中彎曲,因此光線在經過天體時都會偏折。)

愛因斯坦的成名時刻:星光的引力偏折(上)

在有了等效原理的雛形後,愛因斯坦便著手計算了一下引力紅移現象,即光子在離開天體時,能量會下降。而對於光線在天體附近的偏折,卻一直到了1911年才著手計算,由於當時廣義相對論還沒有完全成型,因此計算結果是完全是基於等效原理的,並不涉及時空彎曲這一廣義相對論的精髓(所以說,1911年的數值結論是錯誤的)。

1911年6月,愛因斯坦將這一結論用論文的形式發表出去,題目就是《關於引力對光線傳播的影響》,當時給出的結論是:光線在經過太陽表面時,會偏折0.83角秒(這個結論是按照當時的天文數據得出的,如果用現在的數據,則是0.87角秒)。

愛因斯坦的成名時刻:星光的引力偏折(上)

實際上,“光線經過天體會發生偏折”這一結論並不是相對論獨佔的,用牛頓力學同樣可以算出一樣的結論。(在1784年,著名科學家卡文迪許就曾得到過這樣的結論,但是並未發表)

用牛頓力學解決這個問題並不困難,以光粒子的角度出發(實際上就想象為一顆具有質量的光速小球),切入太陽表面,隨後利用萬有引力公式進行計算,最後求出前後速度的偏折角度即可,最後的公式如下圖

愛因斯坦的成名時刻:星光的引力偏折(上)

其中G是引力常數,M是太陽質量,r是太陽半徑,c是光速

弧度制的結果是4.212*10的負六次方,換算為角度制,就是0.87角秒。

但是注意,不管是1911年愛因斯坦利用等效原理得出的結論,還是牛頓力學給出的結論,實際上都是錯誤的,真正的結論是愛因斯坦在1915年重新修正得到的。

說了這麼多光線偏折結論的前因,那麼最終又是由誰來證實了這一結論呢?

本篇文章的內容到此結束,明天再給出下篇。

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