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“时空弯曲”是骗人的吗?

爱因斯坦在广义相对论里指出,任何有质量的物体都会引起时空的弯曲。注意是时空的弯曲,所谓的时空,是指时间和空间形成的一个整体,也就是说,质量不光会影响空间,也会影响时间。这种说法即使是现在我们,也会感到很难理解,但事实却是,广义相对论描述的时空弯曲确实是真实的存在。

1859年,法国天文学家列.维耶(Le Verrier)发现实际观测的水星的运行轨道,与根据牛顿定律计算出的结果出现了偏差,这就是有名的“水星近日点进动”问题。当时他们认为,出现这种异常现象,是因为在水星轨道内,还有一颗未被发现的行星所产生的引力造成的,但在接下来的几十年里,科学家们都没有找到这颗假想的行星。

直到1915年广义相对论问世以后,这个让科学界困惑多年的问题才得以解决。答案就是,因为太阳的巨大质量造成了附近时空产生了明显的弯曲,使从水星发出的光线产生了偏离,而根据广义相对论计算出的结果,与实际观测数据完美的吻合。这也成为了时空弯曲的有力证据之一。

然而仅凭一个现象就确定一个理论的正确性,这肯定是不科学的,广义相对论还需要更多的验证。虽然质量可以使时空弯曲,但是这个弯曲程度是非常细微的,我们根本没有办法来测量。如果要直接观测到时空弯曲的现象,就必须要求观测目标有足够大的质量,我们知道在太阳系中,太阳占据了99.86%质量,它明显就是一个很好的观测对象。

但太阳本身就是个巨大的光源,在这么近的距离内,它发出的强光会掩盖住其他的星光,这给观测工作造成了很大的麻烦。不过没关系,不是有日全食吗?当太阳光被月球全部挡住之后,我们就可以乘机观测太阳附近的星光了。

1919年,英国科学家亚瑟.斯坦利.爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)所带领的研究团队,利用宝贵的日全食机会,分别在南美洲以及非洲西部测量了太阳附近的星图,然后他们将其结果与之前测量出来的星图进行对比,其结果与广义相对论基本吻合。

其中道理很简单,由于地球的公转,地球与太阳的相对位置会不停的变化,比如说在某个位置的一颗恒星被太阳挡住了,但是随着地球的位置变化,当地球绕到另一个位置时,我们就可以观察到它。通过长时间的观测,科学家们就得到了很多恒星位置的数据,也称星图。

根据星图可以知道,当地球处于某一个位置的时候,太阳是刚好将某些恒星挡住的,如果太阳可以让时空弯曲,那么当这颗恒星发出的光线经过太阳的时候,这些光线就会产生相应的弯曲,从而让观测者在这个位置观测到那颗“本该被太阳挡住的恒星”。爱丁顿的实验结果,可以说让广义相对论在科学界奠定了坚实的地位。

随着对宇宙的观测水平的不断提高,科学家们又陆续在更大的范围内发现了很多时空弯曲的实证。比如说引力透镜效应,当一颗恒星发出的光线经过强引力源的时候,光线的路线会因为时空弯曲产生偏离,如果我们在合适的位置上,就可以观测到更多来自这颗恒星的光线,也就是说通过引力透镜效应,我们可以看到“放大”了的恒星,甚至是多重影像。

除此之外,科学家们还直接观察到了时空弯曲的现象,我们都知道,中子星是目前人类可直接观测到的,引力最大的天体,因此中子星必然会产生比较明显的时空弯曲。通过对围绕在中子星周围的铁原子气体的观测,科学家们确定了这些铁原子气体的运动轨迹,出现了与时空弯曲相符的现象。

总而言之,广义相对论里描述的时空弯曲,并不是只存在于理论中,虽然我们平常无法感觉得到,但是这并不代表它不存在。


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