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为什么相对论是真的:爱因斯坦理论的证据

  为什么相对论是真的:爱因斯坦理论的证据阿尔伯特·爱因斯坦着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。图片来源:NASA Paul Sutter是俄亥俄州立大学的天体物理学家,也是COSI科学中心的首席科学家。Sutter还是“ Ask a Spaceman ”和“ Space Radio ”的主持人,并领导世界各地的AstroTours。Sutter为Space.com的专家之声:Op-Ed和Insights贡献了这篇文章。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),首先由阿尔伯特爱因斯坦亲自制作,历时七年才完成,并提供了有关世界运作方式的惊人见解。很容易在一些简洁的陈述中陈述理论的本质:“物质和能量告诉时空如何弯曲,时空的弯曲告诉物质如何移动。” 但实际的机制需要高达10个方程来描述,每个方程都非常难以与其他方程高度相关。[ 爱因斯坦的广义相对论:简化解释 ] 广告作为好的怀疑者,我们不应该立即相信这种混乱的数学,即使它来自爱因斯坦的大脑。相反,我们需要证据。好的证据。神圣的使者在他的新理论的所有特征中,爱因斯坦最骄傲地解释了水星轨道的细节。那个最里面的行星有一个略微椭圆的轨道,这个椭圆在太阳周围慢慢旋转。换句话说,水星离太阳最远的地方会随着时间的推移而慢慢变化。如果你将简单的牛顿引力应用于太阳 - 水星系统,这种随着时间的变化,称为岁差,并没有出现 - 艾萨克·牛顿的观点是不完整的。一旦你加入由于其他行星引起的温和的引力轻推和调整,几乎所有的进动都可以解释......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,但不是引起争议的问题。大多数人只是将它添加到不断增长的“我们无法解释的关于宇宙的奇怪事物”的列表中,并假设我们有一天会找到一个平凡的解决方案。但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,他能够弯曲他的一般相对论肌肉并精确解释水星的轨道奇怪,他知道他最终破解了引力代码。弯曲的光在爱因斯坦对大型遗传资源进行最后修改之前,他对重力的本质有了一些惊人的认识。爱因斯坦认为,如果你被火箭飞船隔离在一个平稳且恒定的1g加速 - 提供与地球引力相同的加速度 - 你实验室中的所有东西都会像在地球表面上一样。物体将以与地球相同的速度落到地面; 你的脚会坚定地埋在地板上等等。重力(在地球上经历过)和加速度(在火箭中经历)之间的这种等价推动了(双关语)爱因斯坦向前发展他的理论。但隐藏在这种情况下是一个令人惊讶的见解。想象一下,一束光进入宇宙飞船左侧的窗户。当光线穿过宇宙飞船离开时,它会在哪里?从外部观察者的角度来看,答案是显而易见的。光线以完全直线传播,垂直于火箭的路径。在光线通过的过程中,火箭向前推进。然后,光线将在一个窗口(例如靠近尖端)进入火箭,并靠近底部,靠近发动机。 然而,从航天器内部来看,事情似乎很奇怪。为了使光进入靠近尖端的窗口并在发动机附近离开,光束的路径必须是弯曲的。的确,这正是你所看到的。由于重力与加速度完全相同,因此光线必须遵循大型物体周围的弯曲路径。在实验中很难观察到这一点,因为你需要大量的质量和一些靠近表面的光来获得可检测的效果。但是1919年的日食被证明是正确的机会,由亚瑟·爱丁顿爵士领导的探险队发现了爱因斯坦新生理论所预测的遥远星光的确切变化。[ 全日食如何帮助证明爱因斯坦相对论相对论 ] 看到红色围绕广义相对论的创造性思维实验产生了另一个有趣的结果。这个结论依赖于良好的老式多普勒效应,但它适用于一个不熟悉的场景。如果有什么东西离你而去,它产生的声音就会伸展,向下移动到更低的频率 - 这就是多普勒效应。光的情况也是如此:远离你的汽车看起来比车辆静止的情况稍微红一点。(红灯越亮,频率越低。) 警察可以利用这种转变,通过从车上弹出一盏灯来抓住你的速度。下次你被拉过来时,你可以利用这个机会反思引力的本质。因此,如果运动改变了光的波长,那么加速也是如此:从加速火箭的底部到顶部的一点光将经历红移。在GR下,加速的重力是什么。这是正确的:从地球表面发出的光将向下移动到更高的频率,它越往上行进。花了几十年才最终证明了这一预测,因为效果非常小。但是在1959年,Robert Pound和Glen Rebka提出,设计,建造并执行了一项实验,使他们能够在哈佛大学杰斐逊实验室的几个故事中测量光线的红移。永远不要停止测试即使有了所有这些证据,我们仍然将广义相对论置于测试之中。爱因斯坦宏伟工作中任何裂缝的迹象都将引发新的引力理论的发展,或许为揭示该力量的全部量子性质铺平道路。这是我们目前根本无法理解的。 但无论如何,GR传递着绚丽的色彩; 从敏感的卫星到引力透镜,从巨大的黑洞周围的恒星轨道到引力波的波纹和宇宙本身的演化,爱因斯坦的遗产很可能会持续很长一段时间。

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