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光有速度吗?

时间:2019-05-30 10:03来源:未知 作者:管理一号 点击:
1919 年 5 月 29 日,在非洲西海岸的普林西比岛(Principe),英国地舆学家亚瑟爱丁顿(Arthur Eddington,1882-1944)对一场为时五分钟的日食进行了观测,拍下了人类历史上最重要的一张日食
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1919 年 5 月 29 日,在非洲西海岸的普林西比岛(Principe),英国地舆学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington,1882-1944)对一场为时五分钟的日食进行了观测,拍下了人类历史上最重要的一张日食相片。半年的数据分析之后,他们在伦敦举办了新闻发布会,立刻成了全世界的头条:爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)的相对论取得胜利。

相对论是人类历史上最成功的引力理论,诞生一百多年来,它作出的猜想从未失利。更重要的是,它推翻了人们长期以来的崇奉,即空间与时间的客观存在,然后对哲学乃至大众文化发作了影响。

爱丁顿摄影的日食相片之一,后来出现在 1920 年宣告的论文中。图片来历:Wikipedia

光有速度吗?

相对论的故事得从光速说起,在它诞生之前,物理学界关于光的谈论现已持续了三百年。

在爱因斯坦的理论中,真空中的光速是世界中最快的速度,现在我们知道这个速度大约是每秒 30 万公里。不过,或许是因为日常日子中很难感觉到光速的存在,在以前,人们一般假定光速是无限的。

在 17 世纪,伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)最早检验测量光速。他让两个观察者各持一盏灯,A 先把灯点亮,B 看到后也点亮自己的灯,然后核算 A 从点灯到看到 B 的灯光的时间差。受限于当时的实验条件,他没有成功——哪怕让两人相距一英里(约 1.6 千米),测量作用也和他们靠在一起的时分差不多。

17 世纪末,科学家们再次检验测量光速,这一次靠的是木卫食,即在地球上观测时,木星将它的卫星遮住的现象。丹麦地舆学家奥勒·罗默(Ole Romer,1644-1710)发现,当地球离木星距离不同的时分,木卫食出现的周期不相同,距离较远的时分木卫食出现得更晚一点,大约相差 10 分钟,这说明此时木卫反射的光要花更长的时间才华抵达地球。罗默认为这个现象证明光速是有限的。

测量光速示意图。当地球从 L 点转到 K 点的时分,第一个木卫食出现的时间比根据运算周期核算得到的时间要晚几分钟,罗默认为这就是光在通过 LK 的时分多花的时间。反之,当地球从 F 点转到 G 点的时分,木卫食出现的时间就比核算作用要早。图片来历:罗默于 1676 年宣告的论文,Wikipedia测量光速示意图。当地球从 L 点转到 K 点的时分,第一个木卫食出现的时间比根据运算周期核算得到的时间要晚几分钟,罗默认为这就是光在通过 LK 的时分多花的时间。反之,当地球从 F 点转到 G 点的时分,木卫食出现的时间就比核算作用要早。图片来历:罗默于 1676 年宣告的论文,Wikipedia

正如全部新理论相同,这个结论并没有被立刻接受。到 1728 年,哥本哈根发作了当地历史上最大的火灾,罗默的许多观测资料毁于一旦。

而大火发作前一个月,在北海的彼岸,英国地舆学家詹姆斯·布拉德雷(James Bradley,1693-1762)对光速进行了更加精确的测算。布拉德雷然后估计太阳光抵达地球的时间为 8 分 13 秒,与现代的观测作用只需几秒钟的差异。

水波仍是颗粒?

光速的测定答复了一个问题,却引出了更多的问题:光是怎样传达的?在不同的介质里,光速会发作怎样的改动?

同样在 17 世纪,物理学家们对光的本质展开了研讨。荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens,1629-1695)认为光是一种波,在“以太”中像水波相同传达。像同年代的科学家相同,他认为以太是一种充溢全部空间的流体,地球可以盘绕太阳翻滚正是因为太阳带动了以太的漩涡。

不坚定说可以说明光的反射和折射,却无法很好地说明为什么光沿直线传达。这时分,艾萨克·牛顿(Issac Newton,1623-1727)提出了一种大相径庭的理论。为了说明棱镜实验的作用,牛顿指出,光应当是一种微粒,光通过棱镜的时分就像网球被斜击打出去的时分相同,划出一道曲线。(今天我们更了解的现象是足球赛里的“香蕉球”。)

这两种学说在说明光速改动的时分发作了不合:不坚定说认为光在折射率更大的介质中速度较小,而微粒说的推论作用恰好相反。到 19 世纪中叶,科学家才通过实验测定了不同介质中的光速,毕竟推翻了微粒说。

最出名的“失利”实验

但是不坚定说还没有完全取得胜利。在那个年代,不坚定说的说明依托以太的存在,但是以太又是什么姿势?

19 世纪的物理学家并不怀疑以太的存在,只是在说明它的性质方面遇到了重重困难。比如,偏振现象表明光存在相对于传达方向的横向振动,这说明以太是一种弹性固体,因为在空气这样的弹性流体中不会发作这样的现象。但是,假设以太是一种固体,那么行星又怎样能穿过它呢?

为了查验以太的性质,1887 年,在美国的克利夫兰进行了出名的迈克尔逊-莫雷实验,由阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Michelson,1852-1931)和爱德华·莫雷(Edward Morley,1838-1923)规划。实验的原理很简单:假设地球在以太中运动,那么当光线顺着以太运动时,它的速度应当比逆行的时分要快,就像顺着水流游水要更轻松相同。

为了确保实验设备处在水平、安稳的方位,迈克尔逊和莫雷将它安放在一块漂浮在水银中的大理石板上。他们让一束光从光源(a)启航,通过一面与光传达方向成 45 度角的半透明分光镜(b),镜片让一部分光直接通过,另一部分光被反射,分别抵达双面镜子(c、d)。假设光束抵达双面镜子并回来的时间不同,就会出现相位差,毕竟在中心构成干与条纹。并且跟着仪器翻滚,光的途径与以太活动方向的相对方位发作改动,那么干与条纹应当会发作移动。

迈克尔逊-莫雷实验原理图。图片来历:Wikipedia

但是,尽管多次重复实验,迈克尔逊和莫雷并没有发现干与条纹的明显移动。在当时的实验物理学家们看来,实验作用证明了以太与地球相对中止,这令他们感到十分困惑。

到迈入 20 世纪之时,必定温标的发明者开尔文说:“两朵乌云……遮盖了把光和热断定为运动方法的动力学理论的美丽和清楚。”其间一朵乌云指黑体辐射,另一朵就是还未找到志向说明的迈克尔逊-莫雷干与实验。

拨云见日

1895 年,荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz,1853-1928)结合当时的电磁学研讨作用,作出了大胆的假定:假设物体本质上是靠电磁力结合在一起的,那么当物体在有电磁性的以太傍边运动时,就可能沿着它运动方向缩短。通过凌乱的核算,洛伦兹提出了洛伦兹变换,用于说明不同参考系中运动的换算联络。

1921 年,爱因斯坦与洛伦兹。图片来历:Wikipedia

洛伦兹现已很靠近狭义相对论,只是他还没有丢掉以太。其他实验物理学家也没有丢掉,他们试图用更活络的仪器重复实验,或许到海拔更高的当地重复实验。

为什么那个年代的物理学家们会固执地信赖这样一种不可捉摸的物质的存在?今天的我们或许对此感到难以了解,但是在 20 世纪,否定以太可以说意味着否定物质与时间的永久。以太的存在隐含了一个假定,那就是存在必定客观、亘古不变的空间参考系。从哲学的角度上看,物质占有固定的空间,时间以固定的过程消逝,这是人类心目中对世界的固有知道。

而爱因斯坦首要意识到,必定空间与必定时间的概念是梦想中的虚拟,它受限于人类的阅历。实践上,对共同系统的观测作用取决于观察者的方位,处在同一系统中的观察者和处在另一个系统中的观察者看到的是不相同的。也就是说,时间和空间不是必定的,而是与观察者相对的。

至于那个看不见、摸不着的以太,只需要招认空间具有传达电磁波的才干,就可以丢掉对以太的依托。爱因斯坦及合作者后来在书中写道:

“我们想使以太成为实在的东西的全部极力都失利了。它既不闪现它的力学结构,又不闪现必定运动。除了发明以太时所赋予它的一种性质,即传达电磁波的才干以外,其他任何性质都没有了。我们力求发现以太的性质,但全部极力都引起了困难和敌对。通过这么多的失利之后,现在应该是完全丢开以太的时分,往后再也不要提起它的名字了。”

——《物理学的进化》

在洛伦兹变换的基础上,爱因斯坦于 1905 年提出了狭义相对论,然后在 1915 年提出了广义相对论。

巨大的五分钟

怎样验证相对论是否正确?在许多方面,相对论的推论与牛顿力学大致相同,只需在世界的规范,两者才会发作不合。有几个要害的现象可以成为查验这一新理论的试金石,其间之一就是日食。

按照爱因斯坦的理论,当光线通过引力场的时分,路途会发作弯折。当发作日食的时分,太阳附近的恒星将不再被太阳的光芒掩盖,并且因为太阳引力的作用,恒星宣告的光线在抵达地球之前发作了弯折,因此我们看到的恒星的方位将违反它们的实践方位,具体而言,位移值是 1.74 角秒。

早在相对论全部完善之前几年,爱因斯坦就提出了这样的预言,但是在战争年代组织一场日食观测何其困难。德国和美国的地舆学家至少三次检验进行观测,但总是因为气候原因此无法摄影。最倒运的是 1914 年 8 月那一次,埃尔温·芬莱-弗罗因德里希(Erwin Finlay-Freundlich,1885-1964)和威廉·华莱士·坎贝尔(William Wallace Campbell,1862-1938)去往俄国准备摄影,这时分德国对俄国宣战了。所以日食还没初步,俄国就逮捕了来自德国的弗罗因德里希,要求沟通被俘虏的兵士。

坎贝尔是美国人,得以留下摄影,却碰上了阴天。日食结束后,他灵敏撤离了俄国,连带来的名贵仪器都没有运走。

坎贝尔当时担任里克地舆台台长,他差一点就能证明相对论。图片来历:Wikipedia

在英国,爱因斯坦的论文经荷兰偷运过来,抵达当时的英国皇家地舆学会秘书长爱丁顿的手上。爱丁顿对此很感兴趣,他设法打败当时国内剧烈的反德心境,将爱因斯坦的作业介绍给同行,并着手准备这次日食观测。

此时一战现已靠近结束,局势十分严峻。爱丁顿崇奉贵格教,敌对战争,一再恳求免服兵役,差点因此被送进监狱。他的伙伴兼老友弗兰克·戴森(Frank Dyson,1868-1939)也出面为他求情,试图用国家荣誉说服军方。

爱丁顿可以说恰当走运,他在毕竟关头被清除兵役。接下来,在 1918 年 11 月 11 日,一战结束了。爱丁顿与伙伴们当即准备前往普林西比岛,等候那次持续 5 分钟的的日食观测。为了确保满有掌握,他还将另一队人马派往巴西的索布拉尔(Sboral),摄影备用相片。

这次摄影很顺利。到 1919 年 11 月,爱丁顿团队在伦敦举办新闻发布会。远在德国的爱因斯坦躺在病床上,通过荷兰的转播得知了这一消息。

 一战结束多年后,爱因斯坦和爱丁顿才初度接见会面。图片来历:SCIENCE PHOTO LIBRARY

寻找引力波

这次日食观测两年后,爱因斯坦被颁布诺贝尔物理学奖,却不是因为相对论,而是赞誉他“对理论物理的贡献,尤其是对光电效应的理论说明”。这个奖发得有些尴尬:此时爱因斯坦早已声名鹊起,提名的呼声很高;但广义相对论仍然没有完全被证明,只好其他找个由头给他颁奖。

除了日食之外,广义相对论还预言了引力红移和引力波的性质。引力红移指光的波长随引力场增强而增加,向红端移动的现象,因此同一种元素在恒星上发作的光谱线要比在地球上发作的光谱线更“红”,这一现象直到 1925 年才被观测证明。

至于引力波,爱因斯坦一度怀疑它是否存在。在他去世六十年之后,引力波才被人类初度捕获,观测作用于 2016 年得到证明。现在,美国激光干与引力波地舆台(LIGO)和意大利的 Virgo 地舆台仍然在仰望着夜空。它们现已捕捉到双黑洞并合或双中子星并合发作的引力波,最新的一些观测数据还没有结束分析,地舆学家认为那可能是黑洞吞噬中子星发作的信号。假设这个猜想毕竟被证明,那么它将成为相对论带给我们的又一个惊喜。

在大众文化中,爱因斯坦的形象现已成为科学的标志。图片来历:Wikipedia

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