会“拐弯”的光,带领人类刷新了对宇宙的认知

360影视 日韩动漫 2025-03-27 01:39 2

摘要:不仅如此,牛顿还大胆猜测,光或许会如其他物体一般,受到引力的左右,在引力场中具备“重量”。1704 年,他在《光学》一书中抛出一系列深邃的问题,宛如璀璨星辰,为后人照亮了前行的道路。

在科学的浩瀚星空中,对光的探索如同一颗璀璨的星辰,闪耀着人类智慧的光芒。

光的奥秘,如同一个无尽的宝藏,吸引着无数科学家投身其中。

三百多年前,牛顿率先踏上了对光的探索之旅。他坚信光由粒子构成,并凭借这一观点成功阐释了反射和折射现象。

不仅如此,牛顿还大胆猜测,光或许会如其他物体一般,受到引力的左右,在引力场中具备“重量”1704 年,他在《光学》一书中抛出一系列深邃的问题,宛如璀璨星辰,为后人照亮了前行的道路

岁月如梭,1801 年,德国天文学家约翰·索德纳着手计算光线在太阳引力作用下的弯曲量。然而,他所得出的数值微乎其微,在当时的仪器条件下,难以实现精确测量,这一研究成果也因此未能引发广泛关注

科学的征程从未止步,英国著名天文学家阿瑟·爱丁顿毅然接过探索的旗帜。他对光线的引力弯曲现象产生了浓厚兴趣,并深入展开研究

他认为,当光线掠过太阳时,就如同粒子在强大的引力场中运动,其轨迹必然会发生改变基于牛顿的引力理论,他经过缜密计算,得出光线经过太阳后会弯曲0.9弧秒


尽管这个数值极为微小,相当于光线传播5千米后仅偏离一个拇指的宽度,但却为后续的科学探索筑牢了根基。恰在此时,爱因斯坦横空出世,他创立了广义相对论,并推导出引力场方程依据这一方程,他重新计算了光线在太阳引力下的弯曲情况

起初,基于尚不完善的引力方程,他得出的结果与爱丁顿的计算相一致。但当他进一步完善引力场方程后,计算出的光线弯曲量提升至1.8弧秒。


爱因斯坦的这一理论成果具有划时代的意义,他提议天文学界对这一现象进行实地观测,并将其命名为“光线称重”实验。爱因斯坦极具创意地提出,引力场会致使光线发生弯曲。他巧妙地将实验场地拓展到广袤的天空,将星球作为实验工具。

他设想,倘若地球与一颗遥远天体之间恰好存在一个强引力场天体,且三者近乎处于同一直线上,那么强引力场附近的时空弯曲将导致远方天体的光线无法沿直线抵达地球,致使观测到的图像偏离原本位置,这便是引力透镜效应。此外,他还建议在日食期间开展实验


原因在于,此时太阳的遮挡会使人们无法直接观测到其背后的星星,然而太阳的引力恰似一个透镜,能够使星星发出的光线在经过太阳时发生弯曲,最终射向地球,从而使人们能够借助这个“引力透镜”观测到被遮挡的星星。1917年,身处剑桥的爱丁顿留意到了爱因斯坦的建议,他当即意识到该实验的重要性爱丁顿是一位卓越的天文学家,他不仅在物理学领域造诣深厚,对数学也有着精湛的研究

当众多物理学家对爱因斯坦的理论感到迷惑时,爱丁顿却迅速洞悉了其中的奥秘,并深刻领会到这一理论在物理学和天文学领域的重大价值。尤其是当他了解到爱因斯坦计算出的太阳引力弯曲值是自己计算值的两倍时,爱丁顿对这一实验的信心愈发坚定。


这一充满挑战性的实验引起了英国天文学家、格林威治天文台台长弗兰克·戴森的浓厚兴趣,他迅速组织了两支天文测量队,一支前往非洲西海岸的普林西比岛,另一支奔赴巴西北部的索布拉尔。1919年日食发生的前一个月,两支测量队顺利抵达各自的观测地点。5月29日,日食来临之际,测量队早早地架好天文望远镜和摄影设备,怀着满心的期待,准备开启这场举世瞩目的天文观测

然而,普林西比岛的天气状况不尽人意,厚厚的云层将太阳遮掩得严严实实,给观测工作带来了巨大的阻碍。爱丁顿回忆道:“我们已经将望远镜和照相设备安置妥当,准备好了最为优质的底片,目标直指一亿多千米外的太阳表面


那时的我们颇感无奈,但我却有一种奇妙的感觉,仿佛沉默的大自然和昏暗的土地被观测者的呼喊声和节拍器的滴答声所唤醒,天空骤然间呈现出奇迹,我们最终获得了清晰的曝光。”尽管天气恶劣,普林西比岛的观测结果中仅有两张底片可供测量,而它们显示遥远星光在太阳引力的作用下弯曲了1.61弧秒,这一结果与爱因斯坦的预期极为接近。相较而言,在巴西的测量队观测条件则相对理想。他们的两架望远镜都取得了结果,一个为1.98弧秒,另一个为0.9弧秒。

爱丁顿最终选取了较大的结果,并解释另一张底片较为模糊,无法提供有力的数据。尽管这一做法引发了一些质疑,但英国皇家天文学会还是认可了爱丁顿的选择。

9月,实验结果陆续揭晓,在科学界掀起了轩然大波。9月22日,亨德里克·洛伦兹通过电报将这一消息传递给爱因斯坦,爱因斯坦欣喜若狂,整个物理学界也为之震撼

1919年11月6日,英国皇家天文学会在伦敦举办了盛大的庆典,正式宣告爱因斯坦的理论得到了证实。这一发现被誉为“人类思想史上最伟大的里程碑之一”,它开辟了科学思想的崭新领域,是自牛顿提出引力定律以来在引力研究方面最为重要的成果。

“引力透镜”效应的真正价值在半个世纪后才得以充分彰显自20世纪70年代起,科学家们开始运用射电望远镜观测脉冲星发出的无线电波

这些无线电波不会受到太阳光的干扰,能够日夜不停地进行观测,无需再像从前那样等待日食的出现。大量的观测结果不仅高精度地验证了爱因斯坦的引力理论,还进一步测量了光线经过木星时的引力偏移。


从20世纪末到21世纪10年代,光线引力透镜效应已成为现代天文观测的重要手段。通过分析来自遥远星系背后的各种波段射线的引力偏移,天文学家能够推测遥远星系的质量,探寻其周围庞大的暗物质云,甚至揭示更年轻星系的形成过程,进而推断宇宙星系形成初期的景象。

来源:平观新视角

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