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光不但会“拐弯”,还带领人类刷新了对宇宙的认知?

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光有“重量”吗?它受不受引力的作用?这个问题曾引起许多著名物理学家的好奇心,正因为对它不懈地思索,促使爱因斯坦建立著名的广义相对论,而对这个问题的实验观察,又使广义相对论的正确性得以验证。

“光的重量”问题还涉及现代天文学对星系及星系团的探索问题,甚至改变了人类对物质,乃至对整个宇宙结构的认识。

早在300多年前,牛顿曾经设想光是由粒子组成的,他不仅用光的粒子性解释反射和折射现象,还认为像一切物体那样,光也可能受到引力的吸引,在引力场中是有“重量”的。


牛顿

1704年,牛顿在他的《光学》一书中写道:“物体能隔着一段距离对光有作用吗?这种作用会不会使光线弯曲?当距离最小时,这种作用也最强吗?”虽然牛顿没有进一步计算,但这一席话激起了人们对这一问题的兴趣。

一百年过去了。1801年,德国天文学家约翰·索德纳(John von Solder)做了详细的计算,他得出光线在太阳引力作用下的弯曲量,可是这个量实在太小,以致在当时找不到足够精确的仪器,也没有那么精良的照相设备,验证这个结果几乎是不可能的,因而没有引起人们的注意。

还有另外一位对光线引力弯曲感兴趣的人,这就是英国著名的天文学家阿瑟·爱丁顿。他设想光线掠过太阳时,就像一颗颗光粒子掠过太阳。在太阳引力作用下,这些粒子的轨迹会发生弯曲。他利用牛顿引力理论进行计算,所得到的结果是,在光线经过太阳之后,光线弯曲0.9弧秒(弧秒是角度单位,1弧秒相当于0.01592度)。这个数值仍然太小,相当于光线传播5千米,只有一个拇指宽度的偏斜量。

就在这一时期,爱因斯坦创建了广义相对论,得到了引力场方程。根据这个方程,爱因斯坦也对光线受到太阳引力产生的弯曲进行了计算,得出来的结果与爱丁顿的结果相同。但这是爱因斯坦利用他最初那个不完善的引力方程算出来的。当爱因斯坦完善了他的引力场方程后,所计算出来的光线弯曲量比原来增大了一倍,也就是1.8弧秒。他建议天文学界对这一现象进行实地测量。仿效牛顿,他也把这个观测叫做“光线称重”的实验。


爱因斯坦

爱因斯坦是一位具有非凡想象力的人,这个“光线称重”实验设计得非常巧妙,他把实验室搬到天空,实验器械就是星球,这样能展示出引力对光线弯曲的巨大威力。


引力透镜是强引力场中一种特殊的光学效应。假设地球与一颗遥远的天体之间刚好有一个强引力场天体,三者差不多在一条直线上,强引力场天体附近的时空弯曲使远方天体的光不能沿直线到达地球,而使地球上观测到的像偏离了它原本所在的方向,其效果类似于透镜对光线的折射作用,称为引力透镜效应。

爱因斯坦还建议,实验应该在日食发生时进行。如果在日食发生时,在太阳背后正好有一颗明亮的星,由于被太阳遮挡,人们看不到它,但是太阳引力的作用就好像透镜,能使那颗星发出的光线在经过太阳时弯曲,弯曲后的光射向地球,人们将能通过太阳这个“引力透镜”看到这颗被挡住的星。


日全食时,观测太阳后面的目标原理图

1917年,正在英国剑桥的爱丁顿注意到爱因斯坦的建议,他立刻意识到这一实验的重要价值。爱丁顿是一位杰出的天文学家,不仅谙熟物理,对数学也很精通,当世界上绝大多数物理学家还不能读懂爱因斯坦的理论时,他很快能读懂,更洞见出这一理论在物理学和天文学中的重要价值。特别是当他得知,爱因斯坦计算出太阳引力弯曲值是他计算值的两倍时,立刻意识到这个数据将是爱因斯坦对牛顿的挑战,验证这个值,恰好能在两个引力理论中,鉴别哪一个是正确的。


爱丁顿

这一挑战也引起了英国天文学家、格林威治天文台台长弗兰克·戴森的极大兴趣。他立刻主持组建了两支天文测量队,一支派往非洲西海岸的普林西比岛,另一支派往巴西北部的索布拉尔。在1919年日食发生的前一个月,两支测量队分别到达驻地。1919年5月29日日食发生的当天,测量队架设好天文望远镜和照相设备,一次举世瞩目的天文学壮举就这样开始了。

然而那一天并不顺利,天公不作美。在普林西比岛,云将太阳遮住,无法捕捉到太阳背后的星光。“我们架设好望远镜和照相设备,准备好最优良的照相底片,目标照直对准一亿多千米远的太阳表面。”爱丁顿回忆道:“在当时我们什么也做不了。但我神秘地发觉,似乎沉默的大自然和昏暗的大地被观测者的呼声和节拍器的嘀嗒声所唤醒,天空突然出现奇迹,我们终于获得清晰的曝光。”

由于天气不好,在普林西比岛的观测结果中,只有两张底片可以得到测量数据。它们给出的结果是,从遥远星光发出的光线在太阳引力作用下弯曲了1.61弧秒,与爱因斯坦的结果很接近。


实验中其中一张可用的图片

在巴西,测量队的观测天气非常好。他们的两架望远镜都得到了结果。一个结果是1.98弧秒,另一个是0.9弧秒。爱丁顿选择了那个大的结果。他解释说,另一张底片非常模糊,不足以提供有说服力的数据。尽管这种做法存疑,英国皇家天文学会还是接受了爱丁顿的做法。

在当年的9月,实验的结果陆续传了出来。9月22日,亨德里克·洛伦兹发电报把这一消息告诉爱因斯坦,爱因斯坦非常兴奋,物理学界也因为这一成功受到了很大的震动。据说德国著名的物理学家马克思·普朗克一夜没睡,焦急地等待观测结果是否能证实爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦后来开玩笑说:“他要是真正明白了广义相对论,就会像我那样上床睡觉去了”。

1919年11月6日,英国皇家天文学会在伦敦举行盛大庆典,爱因斯坦的理论被证实的消息正式公之于众。英国皇家学会会长,诺贝尔奖得主J.J.汤姆森庄重地指出,这是“人类思想史上最伟大的成就之一。这一发现,不是找到了一个孤立的科学理论,而是发现了科学思想的新大陆。这是自牛顿查明引力定律以来,和引力相关的最伟大发现。”

在1919年以前,爱因斯坦就已经蜚声世界,当太阳的引力光线弯曲被证实后,他忽然变成家喻户晓的公众人物。《泰晤士报》的头版头条以“科学的革命——宇宙的新理论/牛顿的思想遭遇挑战而被废弃”为题报道了皇家学会庆典的盛况。


报道为读者绘图做出了解释

在大西洋彼岸,《纽约时报》更会造势,它的头版头条新闻的标题耸人听闻:“天空中的光线都歪斜了!”为了更吸引读者,这篇文章中说:“事实上,你所见到的星,并不在你所看到的那个地方。”其实这件事并不需要爱因斯坦的引力论,稍加思考就可以知道,来自几万、几百万,甚至上亿光年的星光到达你的眼睛时,它们早就不在你所看到的那个地方了。

德国也迅速做出了反应,1919年12月14日,德国一份著名的报刊以几乎整版刊登爱因斯坦的照片和文章。这篇文章的内容得体而庄重,标题是“世界史上的新星——阿尔伯特·爱因斯坦,他的研究变革了我们对自然界的认识,这一发现与哥白尼、开普勒和牛顿相比肩”。两年以后,爱因斯坦获得“普鲁士骑士”称号(相当于英国的爵士),并得到一枚普鲁士奖章,奖章有大块怀表那样大,有蓝色和金色的绲边,装饰着四个金色的皇冠和一个普鲁士鹰,但爱因斯坦从来没有佩戴过它。

“引力透镜”效应的真正价值体现在半个世纪以后。自20世纪70年代开始,人们利用射电望远镜观测发自脉冲星的无线电波。无线电波不受太阳光的干扰,无须等待日食,还可以在白天黑夜持续观测。大量的观测结果不仅以很高的精度证实爱因斯坦的引力理论,还进一步测量到光线经过木星时的引力偏移。木星对光线引力偏移量是太阳的1/100,这一数值又恰好与爱因斯坦的理论结果相一致。

从20世纪末到21世纪10年代,光线引力透镜效应已经是近代天文观测不可缺少的手段,以哈勃空间望远镜、斯皮策红外线空间望远镜及钱德拉X射线观测台为首,一个大型天文观测目标正向宇宙深度进发。

天文学家利用发自遥远星系背后各种波段射线的引力偏移,可以推断遥远星系的质量,探索遥远星系周围庞大的暗物质云,甚至发现更年轻星系的生成过程,由此推知宇宙星系形成初期的情景。

在大尺度物质世界中,光的“重量”是一个不能忽视的现象,也是左右宇宙结构的动因之一。根据爱因斯坦的引力论,只要有物质存在,无论时间还是空间都要受到影响,光线在引力场中的弯曲现象就是这一影响的表现之一。

来源:《科学史上的365天》、百度百科 略有删改

作者:魏凤文 武轶

编辑:张润昕

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