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天空之光

科学家们庆祝一个奇特的宇宙,在这个宇宙中,空间可以弯曲,时间可以停止

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本月是阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论广受庆祝的百年纪念,他于1905年5月开始发展这一理论。这也是爱因斯坦另一个不那么出名但更重要的事件的周年纪念日。1919年5月29日,天文学家观测日食,首次证实了他的第二个更宏大的相对论,即广义相对论。该理论认为,引力并非真正的力,而更像是时空结构中的一种扭曲。八十六年后,科学家们仍在努力理解这个与直觉大相径庭的观念。

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从一开始爱因斯坦就知道验证广义相对论并非易事。在大多数条件下,引力效应充其量也只是微乎其微的。1911年,在发展该理论的早期阶段,他想到了一个可能可观察的后果:引力应该使光线弯曲。例如,太阳强大的引力应该会使靠近其表面的星光路径略微偏转。通常情况下,太阳的眩光会遮蔽这种弯曲。然而,在日食期间,天文学家可以观察天空中太阳旁边的恒星,看看它们是否偏离了原来的位置。

起初,命运似乎与爱因斯坦作对。1912年在巴西,雨云阻止了一个巴西和英国团队观测日食。(这实际上对爱因斯坦来说是个幸运的突破,因为他早期版本的广义相对论预测的偏转量是错误的。)两年后,德国对俄罗斯南部的一次日食考察因第一次世界大战爆发而受挫。爱因斯坦不耐烦地写信给他的朋友阿诺德·索默菲尔德:“只有卑劣小人的阴谋才阻碍了这项理论的最后、新颖、重要的验证的执行。”

终于在1919年,日食发生时太阳位于金牛座,周围环绕着昴星团——这是一个理想的观测环境。两次日食考察,一次在巴西,另一次在西非海岸的一个岛屿上,在边缘天气下,在太阳日冕的暮光般的光芒中,努力拍摄亮度中等的恒星。恒星偏转了一个微小的角度,大约相当于两英里外看一个硬币的宽度,结果并不十分精确。然而,爱因斯坦欣喜若狂的支持者认为它们足以证实太阳的引力场确实扭曲了其周围的空间。一夜之间,爱因斯坦家喻户晓。

广义相对论预测引力不仅会扭曲空间,还会扭曲时间:引力越强,时间流逝得越慢。这种效应被证明比光的弯曲更难研究,但在1971年,两位物理学家通过将原子钟送入飞机(并减去其运动对时间的影响)成功测量了它。由于地球在高海拔地区的引力略弱,爱因斯坦的理论预测这些时钟会稍微走快——这正是实验所显示的。

在极端条件下,时间的扭曲会使现实分崩离析。以我们银河系中心巨大的黑洞为例。它不仅仅是位于与我们不同的地方;它占据着一个完全不同的时间框架。大多数黑洞被认为是在大质量恒星坍缩时形成的。随着它收缩,其表面引力变得更加强烈,因此恒星上的时钟在我们看来会运行得越来越慢。就在恒星变成黑洞的那一刻,从我们的角度看,时钟将完全停止。我们必须等待无限长的时间才能看到那个最终阶段;因此,我们永远无法看到一个完全形成的黑洞。

1918年,奥地利物理学家约瑟夫·伦斯和汉斯·蒂林发现了时空扭曲的另一个奇怪后果,一个连爱因斯坦都忽略了的后果。他们得出结论,旋转体的引力应该拉扯时空,将其扭曲成螺旋状。美国宇航局的引力探测器B卫星现在正在通过监测地球自转如何影响一套超敏感陀螺仪来寻找这种难以捉摸的效应。“想象一下地球浸泡在蜂蜜中,随着地球转动,它拖动着地球和航天器的陀螺仪,”斯坦福大学的弗朗西斯·埃弗里特说。

埃弗里特预计明年初将公布探测器的初步结果。届时我们将知道爱因斯坦的思想是否再次将我们引向新的方向。


五月天空中的景象

5月8日:纤细的新月悬停在金星旁边,在日落后不久悄悄地从太阳的眩光中显现。

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5月8日:最大的小行星谷神星将迎来它今年最好的亮相。你仍然需要双筒望远镜和星图。

5月14-17日:中等亮度的火星与暗淡的天王星在水瓶座相遇。这些行星形成美丽的橙绿色对比。

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5月19日:月亮与木星紧密相遇,黄昏时在东南方明亮,整晚清晰可见。

5月24日:美国东部夏令时凌晨4点,满月从显眼的红色恒星心宿二前方穿过。

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