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在《证明爱因斯坦是正确的》(Einstein Right)一书中,布朗大学(Brown)物理学家讲述了早期日食追逐者进行的危险探险

这本由布朗大学物理学家小詹姆斯·盖茨和凯西·佩尔蒂埃合著的新书讲述了天文学家们的故事,他们花了十年的时间来获取日食的图像,最终证明爱因斯坦的相对论是正确的。

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论是现代物理学和宇宙学的基石。但当它首次发表时,几乎没有确凿的证据表明它实际上是正确的。直到1919年,也就是爱因斯坦开始研究这一理论的近10年后,天文学家阿瑟·爱丁顿才终于在一次观测日食的探险中提供了这一证据。

根据爱因斯坦的理论,光经过像太阳这样的巨大物体时,由于该物体的巨大引力而发生弯曲。随着太阳光线的减弱,爱丁顿测量了背景中可见的遥远恒星的位置。他指出,当这些恒星发出的光经过太阳时,它们的位置看起来与没有太阳时略有不同。结果表明,“相对”理论中所提出的重力概念是正确的。

对爱丁顿和爱因斯坦来说,这次探险是一次胜利。但他并不是第一次尝试证明爱因斯坦理论的日食探险。在一本名为《证明爱因斯坦是正确的》的新书中,布朗大学的物理学家小s·詹姆斯·盖茨和作家凯西·佩尔蒂埃讲述了七个天文学家的故事,他们历时数十年,偶尔也会遇到一些星星交叉的任务,这些任务捕捉到了日食的关键测量数据。

这本书于本周发行,盖茨和佩尔蒂埃将于10月3日周四下午4点在沃森国际与公共事务研究所(Thayer Street 111号)参加关于这本书的公开讨论。在讨论之前,盖茨回答了几个问题。

问:首先,让我们重温一下爱因斯坦相对论的基础知识。

我们大多数人在学校里学习重力的第一课。我们被告知行星相互吸引,太阳吸引地球。这就是为什么地球会绕着太阳转,而月球会绕着地球转。这源于牛顿万有引力定律。

但牛顿本人知道,他的公式中缺少一些东西。它的作用是解释行星和苹果落在头上的运动,但它忽略了物体从远处相互吸引的机制。这就是爱因斯坦关于引力的新观点的由来。爱因斯坦引入了时空连续体,并证明了在时空连续体内的物体也塑造了时空连续体——弯曲和扭曲时空连续体。正是通过这种弯曲和翘曲,物体从远处相互影响。你可以把它想象成水面上的波浪。一个物体产生一个波,另一个物体遇到这个波就会做出反应。这就是引力,这就是爱因斯坦用相对论解释的。

问:eclipse如何为此提供证据?

大多数人都有这样的经历:你拿着一杯水,举着它,可能在你眼前来回传递。如果玻璃后面有一个物体,你会注意到当你前后移动玻璃时,物体的位置似乎会改变。现在,物体实际上并没有移动,但是真正移动的是到达你眼睛的光的路径——这就是你所检测到的物体的运动。基本上,爱因斯坦的引力理论说,大质量物体也会像玻璃一样影响光的路径。因此,当来自遥远恒星的光线经过巨大的太阳时,这些恒星的位置似乎会发生变化,即使它们实际上没有移动。

问:亚瑟·爱丁顿的这一观察得到了最多的赞誉,但你在书中选择了在故事中加入其他很多人。你能谈谈吗?

这本书真的进化了。当我和我的合著者开始写作时,我们确实认为这本书主要是关于阿瑟·爱丁顿爵士的。但当我们开始探索和观察亚瑟爵士的其他竞争者时,我们意识到有一群人在同一时间试图做同样的事情。这是一种比赛,一些参与者有非常有趣的生活和故事。

这个故事甚至开始于爱因斯坦对他的理论有一个完整的构想之前。他做了一些初步的计算,认为日食可能揭示了这种效应。从1911年开始,有人尝试做这个测量,有些人在第一次世界大战期间被监禁,有些人的设备在战争期间被当局扣押。有些人在运送设备到偏远地区时遇到困难。有那么多的故事和人物,组成了一个科学的兄弟团队,试图做这个测量。

问:还有哪些角色特别令人难忘?

威廉·w·坎贝尔(William W. Campbell)是我印象最深刻的一位。他是个了不起的人,当然和亚瑟爵士一样有才华。他建造了利克天文台,至今仍在运行,并担任首任台长。他还是加州大学伯克利分校(University of California Berkeley)校长,并在将该校建设成今天的世界级学府方面发挥了重要作用。1922年他参加了一次探险,这次探险实际上比爱丁顿1919年的探险更支持爱因斯坦的光弯曲理论。直到今天,还有些人声称爱丁顿用他的观察做假账。爱丁顿扔掉了一些底片,但他的计算中没有包括,有些人认为这是出于恶意。所以1922年坎贝尔的观察确实结束了这个案例。

然后是弗兰克·戴森,他基本上是爱丁顿的赞助商。爱丁顿几乎因为在第一次世界大战期间是一名和平主义者而被送进监狱,戴森就是那个让他远离监狱的人。另一个角色是欧文·芬莱-弗伦德里希(Erwin finley – freundlich),他在1914年率领一支探险队前往克里米亚,但在战争开始时被捕,他的装备也被扣押,因此他从未测量过自己的尺寸。

有很多很棒的故事可以讲,我的合著者凯西·佩尔蒂埃(Cathie Pelletier)真的帮我把它们变成了现实。

问:在这个问题上,你是如何与佩尔蒂埃合作的?

三年半前,我收到一封电子邮件,来自一个我从未见过的人。她介绍自己是一名小说家,说她在TurboTax的一个广告上见过我,她觉得我会是一个有趣的人。这就是我和凯西合作的开始。我告诉过一些人,我们是联合大脑的左右手。她是一位了不起的作家,有着惊人的诗情画意和叙事性。我带来了科学的敏锐,也带来了过科学家生活的经历。所以我认为把这些结合起来,我们真的得到了这本书,尽我们最大的努力,在科学和历史上是正确的,但读起来像一本小说。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.brown.edu/news/2019-09-27/provingeinsteinright