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日全食如何证明爱因斯坦关于相对论的正确性

阿尔伯特·爱因斯坦一生中的大部分时间都是全球名人,但正是日全食使这位科学家一举成名。国会图书馆/公共领域)

8月21日,美国大陆将经历一次日全食,当它从俄勒冈州到南卡罗来纳州,从一个海岸到另一个海岸的过程中,将使整个国家眼花缭乱。

这一事件将是一个很好的机会重温一次具有突破性的实验在日全食期间,帮助证实了爱因斯坦的广义相对论。欧洲航天局将这一天体事件称为“可能是科学史上最重要的日食。”

这一历史性实验是在1919年5月29日进行的,正好是98年前的今天。1915年,爱因斯坦发表了四篇开创性的论文,介绍了他的广义相对论。但据《 ... 》报道,当时,这位德国出生的理论物理学家几乎不为公众所知,科学界人士正与他的新理论正面交锋。大约在这个时候,艾萨克牛顿爵士的经典力学模型——在他1687年出版的《哲学自然主义原理数学》一书中阐述——受到了统治,爱因斯坦的工作遭到了极大的怀疑。

广义相对论的一个关键原则是空间不是静止的。物体的运动可以改变空间的结构。相比之下,在牛顿的宇宙观中,空间是“惰性的”。在爱因斯坦的宇宙观中,

,空间与另一个维度时间结合在一起,形成了一个称为时空的宇宙“结构”。物体穿过这个结构,这个结构可以被物体在时空中的质量和运动扭曲、弯曲和扭曲。

这两种理论发散的一个例子是关于重力对光的影响。尽管经典动力学预测恒星的重力可以使光子的路径偏转,爱因斯坦认为这是对实际情况的粗略估计。不是恒星的引力吸引了光子(正如牛顿所见),而是恒星在太空中创造了一条曲线,有点像站在蹦床上的人在表面创造了一条曲线。光子就像一个球在蹦床上滚来滚去,只会沿着曲线走。从光子的角度来看,它总是沿着直线运动;正是时空的扭曲导致了它的偏转。因此,引力是空间曲率的一种表现。[在照片中:来自世界各地最令人惊奇的日食]

所有质量都会导致时空弯曲,但这种影响是微妙的,测试爱因斯坦的理论需要非常大的物体,比如恒星。今天,天文学家们深入宇宙中,观察到巨大的天体,比如星系,它们在时空中扭曲并改变通过光子的路径,这就是所谓的引力透镜效应。在大质量物体之外的物体发出的光实际上出现在天空中的另一个位置。

但是在20世纪初这些观测还不可能。欧洲正处于第一次世界大战的中期,这使得爱因斯坦的工作主要与德语科学界隔绝。如果不能实验性地检验爱因斯坦的新理论,爱因斯坦的想法可能会在一本满是灰尘的图书馆书架上的期刊上无限期地消亡。

然而,英国天文学家阿瑟·埃丁顿爵士在得到荷兰物理学家威廉·德的消息后,正在关注爱因斯坦古怪而强大的新思想西特(荷兰在第一次世界大战期间是一个中立国)意识到他可以领导一个实验来检验这个理论。

1919年5月29日的日全食。(公共领域)日食测试

由于太阳是太阳系中质量最大的天体,其时空曲率将是最不可能

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