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  • 爱因斯坦的相对论是如何拯救太阳系的?

    几千年来,在整个人类历史中,行星和卫星是我们拥有的宇宙不断变化的唯一关键。恒星和银河系,夜以继夜年复一年,看起来一样或是变化很小,很少而且非常缓慢,以至于人类未曾注意到。通过细心的观察会发现这些行星不仅夜以继夜地“徘徊”,而且以一种可预测的方式移动,正行运动,或是逆行运动。

    爱因斯坦的相对论是如何拯救太阳系的?

    (图片源于:伊桑 西格尔, 来源即将发表的书《超越银河系》)

    曾有两种主要的方法来解释他们在空中的运动规律

    1:行星绕着地球周围等高线,后视线和行星轮作用下的轨道

    2:行星绕着太阳移动,地球是这类行星中的一员

    在近两千年的时间里,前者一直很流行。但是16世纪的哥白尼,随后由伽利略,开普勒以及艾萨克·牛顿共同提出的日心说的模型赢了。

    爱因斯坦的相对论是如何拯救太阳系的?

    (图片源于:NASA/JPL-Caltech/R.Hurt)

    牛顿的理论是迄今为止最大的飞跃,因为他不仅着手描述这些物体的行为——行星以椭圆形(以太阳为椭圆的一个定点)绕着太阳移动,而且因为他为此制定了规律:万有引力定律。这个定律不仅考虑了地球上的引力,而且考虑了所有天体的引力。它解释了为什么卫星围绕着他们的母星运行;为什么彗星会复发,并且经常被其他行星干扰;为什么我们会经历潮汐;为什么行星之间相互干扰或者引起频繁喷发。

    它还解释了一些更微妙的影响,而且引起了好几代人的注意。

    爱因斯坦的相对论是如何拯救太阳系的?

    (图片来源:维基媒体用户:Arpad Horvath和Rubber Duck)

    如果宇宙仅有两个点的质量——太阳和一个行星组成,那么该行星的轨道将是一个完美的,封闭的椭圆,每次绕太阳运行时,都会回到起始位置。但是在一个由牛顿引力统治的宇宙中,在我们的太阳系有很多大质量的天体,于是椭圆会向前或是稍稍在其轨道旋转。在19世纪中期,天王星和它预期的运动轨道的偏离导致了海王星的发现,因为最外层的引力影响了它的运动。

    但在内部太阳系中,离太阳最近的水星遇到了类似的问题。

    爱因斯坦的相对论是如何拯救太阳系的?

    通过详细准确的观测,追溯到16世纪后期(感谢第谷·布拉赫),我们可以测量水星的近日点(最靠近太阳的点)是如何前进的。我们得出的数字是5600英寸每世纪,这是非常缓慢的:100年里刚刚超过1.5度!但其中的5025英寸来自一个众所周知的现象——地球的春分点进动,另外532英寸是由于牛顿重力。

    爱因斯坦的相对论是如何拯救太阳系的?

    (图片来源:维基媒体用户Mpfiz)

    但是5025+532不等于5600,它有一个小但是明显的缺失,那么问题来了,为什么呢?

    当然,也曾提出了很多的可能性:

    1:有可能数据出错了;小于1%的误差很难引人恐慌,而且当时的误差小于0.2%,这意味着数据是有意义的。

    2:也许还有一个内星球,比水星还靠近太阳的星球;这是由预测海王星存在的科学家奥本·勒维耶提出的。然而经过详尽的搜索,包括对太阳日冕的修改,并没有发现任何行星。

    3:也许是牛顿力学定律需要稍作调整;它不是微小的平方律,而是微小的额外力:也许不是2的平方,也许是2.000000(某个数)。这是西蒙·纽康和阿萨夫·霍尔的解释。

    但没有一条解释行得通,他们都不满意。此外后一种选择:尽管可以想象,这个轨道的解释——没有给出预测性的“a-ha”,人们可以运用它来寻找其他东西来验证或是证伪。

    爱因斯坦的相对论是如何拯救太阳系的?

    (图片来源:ESO/L Calçada)

    但是1905年爱因斯坦提出相对论之后,亨利·庞加莱证明,长度收缩和时间膨胀现象对解决问题的贡献量为所需量的一小部分(15-25%),具体取决于误差。那加上明科夫斯基将时间和空间具体化为不是独立的实体,而是作为一个联合的单一结构,最终促成了爱因斯坦相对论的发展。

    1915年11月25日,他向大众展示了它的结果——一个壮观的数字,即空间的额外曲率,预示着每个世纪将增加43英寸的进动。这正是解释这一观察结果所需要的正确数字。

    这对天文学和物理学无疑是巨大的冲击。此后不到两个月,卡尔·施瓦茨席尔德找到了精准的解决方法,并与疯了黑洞的存在。星光的偏移和引力红移/蓝移是可行的。最后,1919年的日蚀证实了广义相对论取代牛顿重力理论。

    爱因斯坦的相对论是如何拯救太阳系的?

    (图片来源:左侧:纽约时代,1919年11月10日,右侧:伦敦新闻:1919年11月20日)

    自本世纪以来,它的预测,从引力透镜到框架拖拽到轨道衰减等等,都得到了验证,观察从未与该理论相矛盾。我们庆祝爱因斯坦的最大成就100周年。一个世纪后,对太阳系的改进观测和了解已经证实的水星近日点进动的精度降到了每世纪百分之一的弧度,不确定性在理论和观测方面都在继续下降。

    谁能知道未来100年内又会有什么新发现,或是什么新奇的可能性呢?

    参考资料

    1.WJ百科全书

    2.天文学名词

    3. forbes- Ethan Siegel Senior Contributor

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