在1905年的学术园地,爱因斯坦如智者般开启了狭义相对论的大门。他通过归纳法的智慧,将光速不变的现象升华为光速不变原理,从而认为宇宙间的每个角落都洋溢着同等的物理智慧。为了达成这一目标,爱因斯坦重新解读了长度、时间和质量的概念,使得这些原本稳固的量随着物体运动速度的加快而变得活跃起来。
然而,狭义相对论终究只是物理宇宙的冰山一角。现实中,物体不仅具备速度,更有加速度;不仅存在于空间之中,空间亦因物质的存在而有了起伏变化。
于是,爱因斯坦再次借助归纳法的力量,将引力质量与惯性质量的表观等价性提升为等效原理,将两者的定义合二为一。由此,作为物质实体的存在与作为宇宙舞台的空间建立了深层的联系。空间能左右光子等一切物质的行踪,物质也能使空间呈现出几何之美。这种转变,让我们的世界观从机械的框架中跃出,步入了几何的殿堂。
本质上,这开启了我们认知的格式塔转换。这种转换,需要通过实验的验证与推动才能向前迈进。广义相对论早期的验证实验有三个,它们是水星进动、光线弯曲以及引力红移,这三者对广义相对论的确立起到了决定性作用,因而被誉为广义相对论的三大经典实验。
以水星进动作为例,它是距离太阳最近的行星,并且拥有较大的偏心率,即它的轨道最短距离与最长距离的比值较小。自19世纪初,科学家就发现,水星在绕太阳一圈后,其最长距离与太阳的连线会呈现出一个微小的进动。在物理上,我们称之为进动。通过对历史观测数据的分析,我们得知水星每世纪的进动约为5600秒。根据经典力学的计算,我们排除了其他天体对水星的进动作用,却意外地发现了一个无法解释的43秒进动。这便是著名的水星剩余进动。
当时,经典力学如日中天,众多科学家渴望以此为契机,实现科学的又一次飞跃。在随后的几十年里,科学家们提出了上百种物理假设来解释这43秒的进动,例如存在小行星和太阳的扁率等。然而,这些假设要么无法独立解释水星的43秒进动,要么会进一步要求金星、地球等行星也产生显著的进动,这与实际的观测并不相符。于是,对水星剩余进动的探索陷入了僵局。
而广义相对论作为一种新的物理理论,它自然被期望能解决水星剩余进动的难题。最初,由于计算错误,爱因斯坦在广义相对论中的结果仅得出了43秒的1/3进动。然而,经过不断的探索与努力,爱因斯坦在1916年终于计算出了完整的43秒水星进动。因此,水星剩余进动实验被视为广义相对论得到验证的第一个实验。
不过,故事并非就此结束。有科学家提出,既然引起水星进动的因素多种多样,那么水星剩余进动的43秒是否是由多种因素共同作用产生的呢?例如,美国物理学家迪克在上个世纪60年代提出了新的理论,能够解释40秒的水星进动。如果太阳的扁率能每世纪产生3秒的进动,迪克的理论便是正确的。然而,此时广义相对论的地位已经不可动摇,科学家们遵循着奥卡姆剃刀原则,倾向于用单一理论来解释现象。
光线弯曲是爱因斯坦首个预言的实验,也是广义相对论获得认可的关键实验。实验原理是利用日蚀时拍摄太阳一侧的照片,记录下太阳背景中的星光。半年后,当地球转到太阳前,在无太阳的情况下,再次拍摄相同区域的照片,通过对比两张照片,记录星光的位移。如果光线确实经过太阳弯曲,那么每个星光都会有一个向中心的位移。
实际上,这个实验极具挑战性,不仅需要借助日蚀拍摄,而且为了避免日冕的影响,只能选择距离太阳较远的星光(10个太阳直径以外),但又不能太远(20个太阳直径以内),否则光线弯曲效应太小,易被其他因素掩盖。
因此,实验结果并非直接数值,而是需要统计的数据。对于这些数据,有两种统计方法:绝对法直接对比两张照片的差异,相对法则假设照片边缘的星光无位移,并将其调整为零,再根据这一尺度调整其他星光的位移。之所以使用相对法,是因为乳胶照片在干燥过程中会收缩,产生星光位移,需要排除这一因素。
不幸的是,两种统计结果差异巨大,至少相差10%。然而,幸运的是,主持该实验的人是广义相对论的坚定支持者爱丁顿。经过统计和修正,实验结果基本符合爱因斯坦的预言;广义相对论因此被视为得到了验证。光线弯曲与人们原本的直线运动观念形成强烈对比,让爱因斯坦一夜成名。
实际上,面对同一实验,可以有多种理论进行解释。光线弯曲的真正意义不在于具体数值,而在于观念上承认光的粒子性,光也有质量。在广义相对论提出之前,人们并未意识到光线可以被物质吸引而弯曲。实际上,只要将光视为有质量的粒子,牛顿的万有引力也可计算出光线弯曲效应。
只是,当时的计算仅考虑了引力的横向效应,所以只有广义相对论预言的一半,使光线弯曲实验有了判别作用。然而,如果考虑到引力的纵向效应,将引力场视为密度较小的介质空间,则越接近引力场,光的等效速度越大;反之,离开引力场,光的等效速度越小。这会产生类似折射效应(引力透镜效应),使得万有引力的计算结果与广义相对论完全一致,均为1.75秒的弯曲度。
引力红移是广义相对论的第三个经典实验,也是最不顺利的实验,因其效应实在太小,仅有百万分之一。其原理是,每个原子的光谱都相同,我们可以通过光谱判断太阳上的元素。由于引力场的作用,光子离开太阳时需克服太阳引力,部分能量转移给空间,导致光子频率降低,即引力红移。
这一实验最初针对太阳,结果不利于广义相对论。后来进行了多次观测,效果始终不理想。最终,将实验移至质量更大的白矮星上。虽然质量增加增大了红移量,但新的问题出现:距离遥远导致其他物理参数不确定。这一实验一直持续到上世纪60年代,在爱因斯坦逝世、广义相对论获得广泛认可后,才最终验证了广义相对论。
通过上述分析,我们看到实验验证受到限制,并不绝对。首先,超出宏观范围,未知因素限制了实验;在排除所有未知因素前,实验无法绝对验证理论。其次,其他理论限制了实验的效力,同一实验可由多种理论解释。所以,实验只能帮助选择理论,无法证明理论正确。
因此,实验与理论相辅相成。如果两者互相促进,理论处于进步状态;反之,理论处于退步状态,需要新理论取代。
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