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一夜封神引起物理学界的震动:爱因斯坦相对论已经被科学证实了吗

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菜菜叶 2021-06-22 12:47

1905年,当爱因斯坦连续发表四篇论文后,包括狭义相对论,布朗运动,光电效应等划时代的科学成果,引起物理学界的震动。科学界包括物理爱好者群体中出现了大量的爱因斯坦的拥趸,这一年也被称为爱因斯坦奇迹年。十年后,爱因斯坦发表广义相对论,一夜封神!

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爱因斯坦的相对论分为狭义相对论和广义相对论。

狭义相对论的验证

(1)光速不变性

狭义相对论的一大基础就是光速不变原理,即无论在任何惯性系中,真空中的光速都是一个恒定的常数,这个在迈克耳逊-莫雷实验中早已证实。

(2)时间膨胀效应

狭义相对论指出,时间流逝速率与观察者的速度有关,速度越快,所测得的时间流逝速率越慢,这就是狭义相对论的时间膨胀效应。事实上,这个相对论效应已在GPS卫星中应用。在太空中高速运行的GPS卫星,其时间要比地面上的慢,所以需要进行校正。

(3)质速关系和质能关系

狭义相对论指出,物体的运动速度越快,其质量越大,这就是质速关系。该关系已经在粒子加速器的高精度实验中得到验证。质能关系就是著名的质能方程,表明质量和能量存在联系。这个关系也已经在核反应实验中得到验证。

广义相对论的验证

(1)星光偏转

广义相对论认为,任何具有质量的物体都会弯曲周围的时空,质量越大,这种效应越明显,表现出的引力也越强。英国天文学家爱丁顿通过观测日全食期间太阳附近的星光偏转,成功验证了广义相对论的预言。

(2)水星近日点进动

水星绕太阳公转的轨道近日点不是固定的,而是不断变化,每隔一百年进动大约1°33′20″,这个数值与广义相对论的计算非常吻合。

(3)引力时间膨胀效应

时间流逝速率不仅与观察者的速度有关,而且还与观察者所处的引力场大小有关,引力场越强,所测得的时间流逝速率越慢。这个效应还是可以通过GPS卫星得到验证。GPS卫星远离地球,它所处的引力场较小,其时间要比地面上的快,所以需要进行校正。

事实上,想要证明相对论完全正确是不可能的,因为只要存在一种与相对论矛盾的现象,就能说明相对论不是完全正确的。不过,就目前的所有实验观测来看,相对论的预言都是与实际情况相当吻合。

一个理论是对是错,首先要判断这个理论是不是具有完备性,不论是数学推导,还是物理逻辑上,是不是自相矛盾。如是不是跟已有的现实相矛盾,如果有,那就证明这个理论是错误的。不过请大家放心,爱因斯坦的相对论具有高度的自洽性,可以解释用来很多现象

目前,最著名的3个观测数据都全部与广义相对论相符合。

其一,水星近日点进动。1859年,天文学家勒威耶(Le Verrier)发现水星近日点进动的观测值,比根据牛顿定律计算的理论值每百年快38角秒。

1915年,爱因斯坦根据广义相对论把行星的绕日运动看成是它在太阳引力场中的运动,由于太阳的质量造成周围空间发生弯曲,用广义相对论完美地解释了这种偏移。

其二,光线在引力场中的弯曲。1911年爱因斯坦在《引力对光传播的影响》一文中讨论了光线经过太阳附近时由于太阳引力的作用会产生弯曲。

1919年日全食期间,英国皇家学会和英国皇家天文学会派出了由爱丁顿等人率领的两支观测队分赴西非几内亚湾的普林西比岛和巴西的索布腊儿尔两地观测。当时测到的偏角数据跟爱因斯坦的理论预期比较,基本相符。

其三,光谱线的引力红移。广义相对论指出,在强引力场中时钟要走得慢些,因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光线,会向光谱的红端移动。后来的观测也相符。

2015年引力波探测器探测到了引力波,也同样验证了广义相对论的正确。

2019年4月,人类首次拍到了黑洞的照片,这张照片除了直观地确认了黑洞的存在,同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。在科学家们努力发现下,所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致,令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。

然而,相对论尽管经历了这么长的时间,依然会有许多科学家在研究它,还会制作各种各样的条件来验证和测试它,当然这是科学的严谨性。

不过由于我们所在的世界处于低速和低引力状态,所以相对论很难体现出来

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