爱因斯坦相对论的证据是什么?

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2022-10-07 · TA获得超过1.7万个赞
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阿尔伯特·爱因斯坦著名的相对论已经在现实世界中得到证实,以日食、扭曲的星系甚至宇宙的结构来衡量。(图片版权所有)美国宇航局

我们都知道并喜爱世界上最受欢迎的引力理论:广义相对论(GR),阿尔伯特·爱因斯坦自己在一项历时七年完成的壮举中首次提出了这个理论,并对这个世界的运作方式提供了令人惊叹的见解。

很容易用两个精辟的语句来阐述这个理论的基本精髓:“物质和能量告诉时空如何弯曲,时空的弯曲告诉物质如何运动”,但实际的力学需要10个方程来描述,每一个方程都非常困难,并且与其他方程高度相关。[爱因斯坦的广义相对论:一个简化的解释]

作为一个好的怀疑论者,我们不应该一开始就相信这种数学上的纠结,即使它来自除了爱因斯坦以外的任何人的大脑。相反,我们需要证据。很好的证据。

一个神圣的信使

在他的新理论的所有特征中,爱因斯坦以其解释水星轨道细节的能力而自豪。那颗最里面的行星有一个稍微椭圆形的轨道,而那个椭圆绕着太阳转得非常慢。换言之,水星离太阳最远的地方会随着时间慢慢变化。

如果你对太阳-水星系统应用简单的牛顿引力,这种随时间变化的称为进动的现象不会出现——艾萨克-牛顿的观点是不完整的。一旦你加上其他行星引起的轻微的引力推动和调整,几乎所有的岁差都可以解释…但不是全部。到20世纪初,这是太阳系动力学中一个众所周知的问题,但并没有引起太多争议。大多数人只是把它加入了一个不断增长的“关于宇宙我们无法解释的稍微奇怪的事情”的列表中,并假设有一天我们会找到一个平凡的解决方案。

但是爱因斯坦不是大多数人,他认为水星给了他一个线索。经过多年的尝试,当他能够弯曲他一般的相对论肌肉,精确地解释水星的轨道奇异性时,他知道他终于破解了引力密码。

弯曲光

在爱因斯坦对大GR进行最后润色之前,他对引力的性质有了一些惊人的认识。爱因斯坦解释说,如果你被孤立在一艘火箭飞船上,火箭飞船的加速度平滑而恒定地达到1g,提供与地球引力相同的加速度,那么你实验室里的一切都将与地球表面上的一切一模一样。物体将以与地球相同的速度落在地面上;你的脚将牢牢地固定在地板上,等等。

重力(如地球上的经验)和加速度(如火箭中的经验)之间的等价物推动(双关语)爱因斯坦向前发展他的理论。但在这种情况下隐藏着一种令人惊讶的洞察力。想象一下一束光线进入飞船左侧的窗户。当光穿过飞船离开时,它将在哪里?”从外部观察者的角度来看,答案是显而易见的。光以一条完美的直线传播,垂直于火箭的路径。当光线穿过时,火箭向前推进。然后,光会在一个窗口进入火箭,比如说,在尖端附近,靠近底部的出口,靠近引擎。然而,飞船内部的“KdSPE”“KdSPs”“KdSPE”“KdSPs”,事情似乎很奇怪。为了使光进入靠近发动机尖端和出口的窗口,光束的路径必须是弯曲的。事实上,这正是你所看到的。

并且由于重力与加速度完全相同,光必须沿着围绕大质量物体的弯曲路径。

很难在实验上观察到这一点,因为你需要大量的质量和一些接近表面的光来获得可探测的效果。但是1919年的日食证明

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