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爱因斯坦和小数据的亲密联系

小数据助力爱因斯坦预言光弯曲

1911年6月,爱因斯坦在德国的《物理年鉴》上发表了《关于引力对光传播的影响》。在该论文中,他根据等效原理预言,光线经过太阳边缘要偏转0.83″。4年后的1915年,他又在《普鲁士学院会议报告》上发表了另一篇有关广义相对论的论文,用完整的广义相对论修正为1.75″。

爱因斯坦的手稿。2019年3月14日是爱因斯坦诞辰140周年。以色列希伯莱大学为此首次展出了他的110份手稿,其中大部分从未展出过。

接下来的故事科学界所共知。1919年,英国派出了两个远征队,去观测当年5月29日发生的日全食。一队由英国皇家学会派出,英国天文学家爱丁顿率领,到西非几内亚湾普林西比岛观测。另一队由英国天文学会派出,克鲁梅林带队,到巴西索布腊尔镇观测。两队各自的观测结果,在同年11月6日同时公布:光线经过位于金牛座的太阳附近时,偏转角分别为1.61″±0.30″和1.98″±0.12″——与爱因斯坦的预言非常接近,这一验证在全世界引起极大的轰动。

还有更精密的验证。1922年9月21日,美国利克天文台台长威廉·华莱士·坎贝尔和美国天文学家罗伯特·朱利叶斯·特鲁普勒,通过对当天日全食的观测,得到的偏转角为1.72″——更接近1.75″。

光线要弯曲的验证还有很多。例如,雷达回波的延迟——在1964~1968年间,以美国物理学家夏皮罗为首的研究小组,先后对水星、金星与火星进行雷达实验,验证了电波经过太阳附近时也会弯曲,使电波传播时间延长,而且观测结果与爱因斯坦的理论预言一致。后来,还有人用人造天体作为反射靶,并改善了实验精度,结果与预言的理论值相差仅约1%。

由于光线在大质量天体附近弯曲,使得观察者可以看见在空间中被大质量天体所遮挡的光源。如果从观测者到光源的视线上有一个大质量的前景天体,则会在光源的两侧形成两个像,就像有一面透镜放在观测者和天体之间一样,这种现象称为“引力透镜效应”。爱因斯坦的这一预言,也在一个世纪后的2017年被验证。当年6月7日,美国太空望远镜科学研究所的天文学家凯拉什·萨胡领衔的一个国际科研小组在美国《科学》杂志上说,借助哈勃太空望远镜,他们直接观测到一颗白矮星的引力扭曲了其身后一颗星球的光线。

爱因斯坦在1936年发表的一篇研究论文中还预测,利用发生“引力透镜效应”时观测到的偏移距离,可以直接计算出前方星球的质量,这被称作“天体测量透镜”。在2013~2015年间,凯拉什·萨胡领衔的团队8次把哈勃望远镜对准一颗快速移动的白矮星Stein2051B,研究观测的结果表明,在距离地球大约18光年的这颗白矮星的引力作用下,其身后的星球的观测位置与实际位置相距大约(2×10-3)″,据此计算出该白矮星的质量为太阳的68%。

水星“反常”非反常

根据1847年天文观测和计算的结果,水星轨道近日点的进动是每100年转过5600.73″。用牛顿力学考虑各种因素之后,只有其中的5557.62″能够解释——90%为坐标系的岁差引起,其余部分由行星(特别是金星、地球和木星)的摄动引起,还有43.11″(称为“剩余进动”——以下取常用的近似值43″)却无法解释。1°是1个圆周角的1/360,1°的1/3600是1″,可见43″多么小。

1859年,法国天文学家勒威耶测算的“剩余进动”是38″。他根据自己在1846年发现海王星的“经验”,认为这38″可能是未知的“水内行星”的引力所致。由于一直未发现“水内行星”,所以他的这一猜测并不成立。

1882年,出生在加拿大的美国天文学家纽康重新测算后,得出正确的“剩余进动”是43″——勒威耶的38″有误。纽康认为,有可能是水星发出的黄道光的弥漫物质使其运动受到阻力。但这又不能解释为什么其他几颗行星也有类似的多余进动;于是,他就怀疑引力是否服从“平方反比”——万有引力定律再次面临严峻的考验。后来,曾陆续提出一些理论来解释这相差的43″,但都没能成功。于是,这43″被称为“水星近日点的‘反常’进动”,成为天文学家们的“43″之谜”。

到了20世纪,爱因斯坦出场了。他在1916年计算出了水星的“剩余进动”是每100年43″。这不但和上述43″一致,而且与1975年的实际观测数据每100年(41.4±0.9)″基本相符。

就这样,凭借“小数据”43″,爱因斯坦破解了“43″之谜”——水星的“反常”非反常。不但如此,后来测到的金星、地球和小行星伊卡鲁斯的多余进动,也都与理论计算基本相符。

“山水一程又一程”之后的引力波

1916年3月20日,爱因斯坦的论文《广义相对论的基础》以单行本的形式在《物理年鉴》上正式发表,其中提出了引力波的概念,并预言存在引力波。

然而,引力波太难探测到了。这是为什么呢?

太难探测的第一个主要原因是引力波极其微弱。例如,地球绕太阳以大约30千米/秒的平均速度运行,发出的引力波功率仅约200瓦(小于一般家用电饭煲的功率)。引力波功率微弱,就导致振幅微小——小到探测精度要达到10-21米,即要能够在1000米的距离上感知10-18米的变化!第二个主要原因是,物质对它的吸收效率极低,这就难以被探测仪器感知。

1974年,美国天体物理学家约瑟夫·霍顿·泰勒与他的学生拉塞尔·阿兰·赫尔斯间接证明了引力波的存在,他俩也因此共享1993年诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦提出引力波整整一个世纪之后,心无旁骛的科学界终于直接抓到了“无影人”。2016年2月11日当地时间10时30分,在华盛顿特区国家媒体中心,由“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的发言人——美国路易斯安那州立大学巴吞鲁日分校的女物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯宣布:德国汉诺威马普学会引力物理研究所的LIGO在2015年9月14日17时50分45秒(北京时间),首次直接探测到引力波信号!这个信号,由来自13亿光年之遥的两个质量分别为36M(“M”是“太阳质量”,1M=1个太阳的总质量≈1.989×1030千克)和29M的黑洞合并末期发出。同年12月26日,LIGO又再次直接探测到另一个引力波信号……

左起:韦斯、索恩、巴里什

直接探测到引力波,完成了广义相对论的“最后一块拼图”,治好了科学家们在广义相对论中的“最后心病”。此外,“霍金四大定理”之一的黑洞面积不减定理——在不考虑量子力学的情况下,合并后的黑洞面积只增不减,也被验证。

又是一个“秋收的季节”——这次是在相对论领域和天体物理学领域,主角是“无影英雄”引力波。

为创建LIGO和直接发现引力波做出重大贡献的3位美国科学家,分享了2017年诺贝尔物理学奖:获一半奖金的雷纳·韦斯、获1/4奖金的基普·斯蒂芬·索恩与获1/4奖金的巴里·克拉克·巴里什。

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来自:雨吻花开  > 生活百科
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