关于引力,爱因斯坦是对的 万有引力公式( 二 )


水星进动轨道
当各种常数、定义和变量代入爱因斯坦的场方程,经过一系列复杂的计算,人们得到了如下岁差角位移公式:代入太阳的质量和水星轨道的一系列参数,物理学家精确地得到了38角秒的数值 。
用广义相对论推导岁差公式
光因重力而弯曲 。根据相对论的等效原理,光虽然没有静止质量,但它有能量,光的能量与质量等效 。因此,当光线经过大质量天体附近时,应该会受到引力的吸引而发生偏转或弯曲 。
1919年,当太阳被遮挡时,英国天体物理学家阿瑟·爱丁顿在西非和巴西观测到了太阳后面的Hyades星团的位置变化 。他看到了本应被太阳遮挡的Hyades星团发出的光,星光在经过太阳附近时发生了弯曲 。这证明爱因斯坦的质能方程和广义相对论是正确的 。
引力透镜使光线弯曲形成爱因斯坦十字 。
后来天文学家观测到“引力透镜”现象导致的“爱因斯坦十字”,进一步证实了光可以被大质量天体的引力弯曲 。
引力红移当今的天体物理学家广泛利用引力红移现象来判断遥远行星的运动方向,由此衍生出“大爆炸”假说 。引力红移是从爱因斯坦质能方程和广义相对论推断出的物理现象 。因为光的能量与其频率成正比,所以向较低能量的偏移表示向较低频率和较长波长的偏移,可见光会向红外光偏移 。也就是说,当光逃离引力场时,会损失能量,从而使波长变长 。
当光子逃离引力场时,光谱会红移 。
2018年5月,欧洲南方天文台的科学家们将望远镜瞄准了一颗名为S2的恒星,这颗恒星距离我们的银河系中心28000光年 。它正以7600公里/秒的速度接近星系中心的黑洞Sgr A,当S2经过黑洞附近时,它的光谱开始变红 。
为了追踪S2星,科学家们分别利用牛顿万有引力定律和爱因斯坦引力场方程计算了它的轨道 。结果表明,爱因斯坦的答案与实际观测高度一致,相当于打了九个环,而牛顿的结果与之相差甚远 。他没有击中目标 。
S2星高速掠过黑洞附近,这验证了广义相对论 。
重力波万有引力定律无法解释引力波,但爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在 。
在广义相对论中,引力被视为时间的曲率空,所以爱因斯坦认为引力波是时间本身结构中空之间的波纹 。引力波通过时在空之间交替拉伸和压缩,但尺度很小(即使两个黑洞相撞,其在空之间变形的尺度也只有10米以内) 。
2015年,激光干涉引力波天文台首次探测到遥远天体碰撞发出的引力波 。此后多次探测到黑洞合并发出的引力波,证明爱因斯坦的空弯曲假设是正确的 。
两个黑洞在接近过程中激发的引力波示意图
其他基于相对论的预测:黑洞、事件视界和奇点;时间的度量是相对的,在强引力场中时间会变慢——对于观察者B来说,A的速度越快,时间越慢,而对于A本人来说,他的时间是正常的;宇宙的膨胀和演化;双星通过引力辐射失去能量,这使得它们彼此靠近 。如果是中子星,会发出有规律的脉冲信号,从而形成脉冲星 。
以上预言,有的被观察和实验验证,有的被证实,都是万有引力理论力所不及的 。
既然广义相对论是对的,是否证明引力是错的?科学不是非此即彼 。
牛顿的万有引力理论认为,一个物体之所以有引力,是因为它有质量 。你可以认为牛顿已经解释了引力的本质,引力是物体质量的表达 。
爱因斯坦的狭义相对论,加上19世纪中期麦克斯韦场方程、洛仑兹变换等一系列电磁研究成果,集中在空和时间的描述上 。他把一个物体的质量等同于它的能量,认为能量等于质量 。爱因斯坦也知道两个物体之间的引力与它们的质量成正比,所以他说物体的质量决定了能量动量密度,能量动量密度引起时间空曲率,与时间空曲率成正比,从而决定了引力场的强弱 。
牛顿和爱因斯坦
不同的是,牛顿的引力是瞬时的,而相对论认为引力是场,和光速一样 。假设太阳瞬间消失,根据万有引力定律,地球也会同时脱离轨道;相对论认为8分钟后地球才会离开 。牛顿不考虑时间的变化,而爱因斯坦认为时间会被扭曲(这会造成一个奇怪的现象,两个时间极其精确的原子钟 。从地面上看,卫星上的会慢一些,但在卫星上不慢) 。
万有引力定律没有错,只是不适用于某些场合 。
熟悉近代物理的朋友都知道,广义相对论并不是绝对正确的 。它不适用于对微观粒子世界的解释,到目前为止,还没有出现一种理论可以将相对论和量子力学统一起来 。同样,未来人类在对更广阔空间的探索中,必然会发现更多相对论无法解释的现象 。

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