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除了黑洞,爱因斯坦的理论还有哪些预言?

我们都知道黑洞是广义相对论预言的,不过黑洞并不是爱因斯坦本人预言的,而是科学家史瓦西。其实爱因斯坦很反对,还专程写了一篇论文反对。当然,后来更多的年轻科学家站到了史瓦西的这边,这种事情其实在整个科学史都很常见。

科学圈一直流传着这样一句话“薛定谔不动薛定谔方程”,指的就是量子力学奠基人之一的薛定谔自己搞出来的波动方程,自己不能接受这个方程的物理意义。

也就是说,聊到相对论的预言,不能只聊那些爱因斯坦本人的预言,而是要关注理论本身,看看理论能给出什么样的预言。接下来,我们来一个个聊一聊:

引力透镜

引力透镜是指:

当背景光源经过引力场附近(比如:星系,黑洞,星系团)时,光线就会像是通过了透镜一样发生弯曲。

这个弯曲的程度取决于引力场的大小。实际上,自从光的波粒二象性被提出后,在牛顿理论体系当中,光也是可以偏折的,只不过后来英国天文学家爱丁顿带团队亲自验证了:

同样是发生偏折,爱因斯坦的理论预言的偏折角度的误差远远好于牛顿理论给出的偏折角度产生的误差。

不过,这里还发生了一个小故事,爱丁顿其实作弊了,他只挑了一些有利于相对论结果的数据,而摒弃那些不利于相对论的数据。所以,爱丁顿的论文一发表,爱因斯坦就直接封神了。

后来,1978年爱因斯坦诞辰100周年,格林威治天文台台长拿出了当年爱丁顿的论文时,才发现了爱丁顿数据造假。不过,他们并没有着急宣布,而是重新用最新的技术进行测量,发现爱丁顿受限于当时的观测技术,才得出这些数据不利于相对论。实际上,这些数据用现代的技术测量是和相对论拟合的非常好的。

可以说是有惊无险,完成了两次大反转,最终还是说明了相对论是很精准的。其实爱因斯坦和他的理论简直就是反转之王,后面还有更奇葩的反转。

引力红移

引力红移是指

光或者其他波从引力场(各种大质量天体)远离时,频谱会往红色端方向发生偏移。

我们都知道光是有波动性的,在引力场大的地方,波长会变大,就像下面这样:

这时候,光的波长就会往红外光的方向偏移。

要知道,我们能看到的光的范围是有限的,被称为可见光。光的波长变大就有可能偏移出可见光范围,那样人眼就可能看不到。这次黑洞的照片就验证了这一点,我们仔细看照片会发现,上半部分的光明显少于下半部分,这就是因为发生了引力红移,光从可见光便宜到了不可见光,也就是引力红移。

说白了就是波长变长了,频率变低了。这一次发现的黑洞照片也验证了引力红移的现象。、

水星进动

话说牛顿的理论告诉我们,

行星绕着恒星运动是一个椭圆的轨道,一个周期结束后回到原点,继续下一个周期。

所以科学家自然而然会把这个理论运用到各个天体的运动上,其中就包括水星。

但是科学家经过细致的计算,发现不管咋样,理论和观测结果都不太匹配,水星每次都没有回到初始的位置,而是稍稍发生了一点偏差。其实这个误差特别小,但是科学家是无法忍受的。

科学家把各种情况都考虑进去(比如:金星和地球的引力),结果还是差一点点。这个奇怪的现象这就叫做水星进动

而爱因斯坦的相对论就能够解释这个现象。在相对论中,行星运动的情况恰恰就是会发生进动这种情况的。实际上地球也有进动,我们之所以没感觉到地球会发生这种现象,只是因为太阳系内的引力场小所以相对论的效应没体现出来。

在引力场比较小的情况下牛顿理论和相对论的结果十分接近。而水星因为离太阳很近,引力很大,这个差别就一下子体现出来了。这其实和在宏观低速情况下相对论和牛顿理论结果十分相近是一个道理。

引力波

爱因斯坦认为:如果空间内没有任何东西存在,时空就会是平直的。但是如果有天体存在,时空就会被扭曲。

当带有质量的天体开始加速运动时,时空就会产生涟漪,就好像池塘里的水波一样,这其实就是引力波。不过,一般来说引力波非常微弱,我们根本探测不到。目前的技术手段只能探测到特别大质量的黑洞或者中子星合并时产生的引力波。

瞎猫碰上死耗子型的“宇宙常数”

最后再说个瞎猫碰上死耗子型的预言。

爱因斯坦提出广义相对论时,里面有个方程,从这方程上看,宇宙应该是膨胀的。

可是爱因斯坦觉得宇宙怎么可能会膨胀?他认为宇宙应该永恒不变的才对。

于是,加了一个宇宙常数

也就是那个“Λ”,这样这个方程就表示宇宙是恒定不变的。于是爱因斯坦很满意地发表了文章。结果呢?啪啪啪打脸!

没多久,哈勃就发现:

很多星系正在离我们远去,离我们越远的星系远离的速度就越快。

科学家们通过各种理论验证,认为如果宇宙是一直在膨胀的,那倒推回去不就是一个点么?于是提出了宇宙大爆炸。

也就是说,爱因斯坦那个方程的宇宙常数是多余的,应该被删掉。于是,就变回了原来的样子。

没过多久,也就是在1998年,两个科研小组发现了一个惊天大秘密:宇宙是在加速膨胀的。也就是说,这个方程原来描述的宇宙膨胀是一个匀速状态,也就是不对的,需要加一个常数“Λ”进去弥补加速膨胀的效应,于是,这个方程又变回了爱因斯坦提出时的样子。

可以说是科学史中难得一见的大反转,只是其实两个常数的意义是不同的罢了。不过从某种角度来看,爱因斯坦预测的结果对了,只是预测推理的过程有点问题。

虫洞

关于广义相对论里的语言,其实还有爱因斯坦罗森桥,也就是科幻里常用来穿越的虫洞,不过这个理论目前还停留在猜想和理论阶段,科学家还没有找到任何虫洞存在的证据。

关于,爱因斯坦和他理论的预言,我们就说到这里。

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