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光有重量吗它受不受引力的作用这个问题曾引起许多著名物理学家的好奇心正因为对它不懈地思索促使爱因斯坦建立著名的广义相对论而对这个问题的实验观察又使广义相对论的正确性得以验证

光的重量问题还涉及现代天文学对星系及星系团的探索问题甚至改变了人类对物质乃至对整个宇宙结构的认识

早在300多年前牛顿曾经设想光是由粒子组成的他不仅用光的粒子性解释反射和折射现象还认为像一切物体那样光也可能受到引力的吸引在引力场中是有重量的

牛顿

1704年牛顿在他的光学一书中写道物体能隔着一段距离对光有作用吗这种作用会不会使光线弯曲当距离最小时这种作用也最强吗虽然牛顿没有进一步计算但这一席话激起了人们对这一问题的兴趣

一百年过去了1801年德国天文学家约翰索德纳JohnvonSolder做了详细的计算他得出光线在太阳引力作用下的弯曲量可是这个量实在太小以致在当时找不到足够精确的仪器也没有那么精良的照相设备验证这个结果几乎是不可能的因而没有引起人们的注意

还有另外一位对光线引力弯曲感兴趣的人这就是英国著名的天文学家阿瑟爱丁顿他设想光线掠过太阳时就像一颗颗光粒子掠过太阳在太阳引力作用下这些粒子的轨迹会发生弯曲他利用牛顿引力理论进行计算所得到的结果是在光线经过太阳之后光线弯曲09弧秒弧秒是角度单位1弧秒相当于0度这个数值仍然太小相当于光线传播5千米只有一个拇指宽度的偏斜量

就在这一时期爱因斯坦创建了广义相对论得到了引力场方程根据这个方程爱因斯坦也对光线受到太阳引力产生的弯曲进行了计算得出来的结果与爱丁顿的结果相同但这是爱因斯坦利用他最初那个不完善的引力方程算出来的当爱因斯坦完善了他的引力场方程后所计算出来的光线弯曲量比原来增大了一倍也就是18弧秒他建议天文学界对这一现象进行实地测量仿效牛顿他也把这个观测叫做光线称重的实验

爱因斯坦

爱因斯坦是一位具有非凡想象力的人这个光线称重实验设计得非常巧妙他把实验室搬到天空实验器械就是星球这样能展示出引力对光线弯曲的巨大威力

引力透镜是强引力场中一种特殊的光学效应假设地球与一颗遥远的天体之间刚好有一个强引力场天体三者差不多在一条直线上强引力场天体附近的时空弯曲使远方天体的光不能沿直线到达地球而使地球上观测到的像偏离了它原本所在的方向其效果类似于透镜对光线的折射作用称为引力透镜效应

爱因斯坦还建议实验应该在日食发生时进行如果在日食发生时在太阳背后正好有一颗明亮的星由于被太阳遮挡人们看不到它但是太阳引力的作用就好像透镜能使那颗星发出的光线在经过太阳时弯曲弯曲后的光射向地球人们将能通过太阳这个引力透镜看到这颗被挡住的星

日全食时观测太阳后面的目标原理图

1917年正在英国剑桥的爱丁顿注意到爱因斯坦的建议他立刻意识到这一实验的重要价值爱丁顿是一位杰出的天文学家不仅谙熟物理对数学也很精通当世界上绝大多数物理学家还不能读懂爱因斯坦的理论时他很快能读懂更洞见出这一理论在物理学和天文学中的重要价值特别是当他得知爱因斯坦计算出太阳引力弯曲值是他计算值的两倍时立刻意识到这个数据将是爱因斯坦对牛顿的挑战验证这个值恰好能在两个引力理论中鉴别哪一个是正确的

爱丁顿

这一挑战也引起了英国天文学家格林威治天文台台长弗兰克戴森的极大兴趣他立刻主持组建了两支天文测量队一支派往非洲西海岸的普林西比岛另一支派往巴西北部的索布拉尔在1919年日食发生的前一个月两支测量队分别到达驻地1919年5月29日日食发生的当天测量队架设好天文望远镜和照相设备一次举世瞩目的天文学壮举就这样开始了

然而那一天并不顺利天公不作美在普林西比岛云将太阳遮住无法捕捉到太阳背后的星光我们架设好望远镜和照相设备准备好最优良的照相底片目标照直对准一亿多千米远的太阳表面爱丁顿回忆道在当时我们什么也做不了但我神秘地发觉似乎沉默的大自然和昏暗的大地被观测者的呼声和节拍器的嘀嗒声所唤醒天空突然出现奇迹我们终于获得清晰的曝光

由于天气不好在普林西比岛的观测结果中只有两张底片可以得到测量数据它们给出的结果是从遥远星光发出的光线在太阳引力作用下弯曲了161弧秒与爱因斯坦的结果很接近

实验中其中一张可用的图片

在巴西测量队的观测天气非常好他们的两架望远镜都得到了结果一个结果是198弧秒另一个是09弧秒爱丁顿选择了那个大的结果他解释说另一张底片非常模糊不足以提供有说服力的数据尽管这种做法存疑英国皇家天文学会还是接受了爱丁顿的做法

在当年的9月实验的结果陆续传了出来9月22日亨德里克洛伦兹发电报把这一消息告诉爱因斯坦爱因斯坦非常兴奋物理学界也因为这一成功受到了很大的震动据说德国著名的物理学家马克思普朗克一夜没睡焦急地等待观测结果是否能证实爱因斯坦的广义相对论爱因斯坦后来开玩笑说他要是真正明白了广义相对论就会像我那样上床睡觉去了

1919年11月6日英国皇家天文学会在伦敦举行盛大庆典爱因斯坦的理论被证实的消息正式公之于众英国皇家学会会长诺贝尔奖得主JJ汤姆森庄重地指出这是人类思想史上最伟大的成就之一这一发现不是找到了一个孤立的科学理论而是发现了科学思想的新大陆这是自牛顿查明引力定律以来和引力相关的最伟大发现

在1919年以前爱因斯坦就已经蜚声世界当太阳的引力光线弯曲被证实后他忽然变成家喻户晓的公众人物泰晤士报的头版头条以科学的革命宇宙的新理论牛顿的思想遭遇挑战而被废弃为题报道了皇家学会庆典的盛况

报道为读者绘图做出了解释

在大西洋彼岸纽约时报更会造势它的头版头条新闻的标题耸人听闻天空中的光线都歪斜了为了更吸引读者这篇文章中说事实上你所见到的星并不在你所看到的那个地方其实这件事并不需要爱因斯坦的引力论稍加思考就可以知道来自几万几百万甚至上亿光年的星光到达你的眼睛时它们早就不在你所看到的那个地方了

德国也迅速做出了反应1919年12月14日德国一份著名的报刊以几乎整版刊登爱因斯坦的照片和文章这篇文章的内容得体而庄重标题是世界史上的新星阿尔伯特爱因斯坦他的研究变革了我们对自然界的认识这一发现与哥白尼开普勒和牛顿相比肩两年以后爱因斯坦获得普鲁士骑士称号相当于英国的爵士并得到一枚普鲁士奖章奖章有大块怀表那样大有蓝色和金色的绲边装饰着四个金色的皇冠和一个普鲁士鹰但爱因斯坦从来没有佩戴过它

引力透镜效应的真正价值体现在半个世纪以后自20世纪70年代开始人们利用射电望远镜观测发自脉冲星的无线电波无线电波不受太阳光的干扰无须等待日食还可以在白天黑夜持续观测大量的观测结果不仅以很高的精度证实爱因斯坦的引力理论还进一步测量到光线经过木星时的引力偏移木星对光线引力偏移量是太阳的1100这一数值又恰好与爱因斯坦的理论结果相一致

从20世纪末到21世纪10年代光线引力透镜效应已经是近代天文观测不可缺少的手段以哈勃空间望远镜斯皮策红外线空间望远镜及钱德拉X射线观测台为首一个大型天文观测目标正向宇宙深度进发

天文学家利用发自遥远星系背后各种波段射线的引力偏移可以推断遥远星系的质量探索遥远星系周围庞大的暗物质云甚至发现更年轻星系的生成过程由此推知宇宙星系形成初期的情景

在大尺度物质世界中光的重量是一个不能忽视的现象也是左右宇宙结构的动因之一根据爱因斯坦的引力论只要有物质存在无论时间还是空间都要受到影响光线在引力场中的弯曲现象就是这一影响的表现之一

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编辑荔枝yrLewis