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评相对论之十一  光线在引力场中偏转

(2008-11-11 17:38:31)
标签:

空间弯曲

相对论

引力场

万有引力

爱因斯坦

杂谈

分类: 评相对论

 

    早在1704年牛顿就提出,大质量物体因为有巨大的引力,会使高速运动的粒子改变方向,牛顿认为光是微小的粒子流,所以大质量的物体能使光线发生弯曲。1804年慕尼黑天文台的索德纳,根据牛顿力学把光微粒当做有质量的粒子,经过计算,他预言光线经过太阳边缘时会发生0.875角秒的偏折。1915年爱因斯坦根据广义相对论的空间弯曲的理论,预测光线在通过太阳表面附近会产生偏折,其偏折度为1.75″。到底是按经典力学计算的数值正确,还是按照相对论计算的数值正确呢?所以天文观测必然成为两大理论孰是孰非的验证。

    为了这个判决性的观测,1919年亚瑟·爱丁顿爵士率领的探险队前往几内亚湾的普林西比岛,去观测5月29日格林威治时间13时12分出现在南纬4o,西经18o的日食。克罗姆林博士也率领另一支远征队到巴西北部的索布拉尔进行日食观测。两支探险队同时拍摄出日食的照片,照片上清楚地显示出星星移动了位置。1919年11月6日的下午,在伦敦古老的皇家学会总部富丽堂皇的会议厅里,克罗姆林博士和爱丁顿爵士向世界宣布了他们对日食的观测过程,出示了观测数据和底片,通常认为不可能的事情的确发生了,星星的位置移动了。日食观察的结果是,索布拉尔观测队:1.98±0.12″;普林西比队:1.61±0.30″。拍摄的底片证明爱因斯坦1915年的预言以及广义相对论理论的正确,皇家学会会长说这是“人类思想史上最伟大的成就之一”。

 

 

                                                      0.875”

                                               

                               太阳              1.75” 

 

                  图 1光线在引力场中偏转

 

    光线能在引力场中弯曲成了相对论被验证的第一个证据(图 1),证明广义相对论是正确的,并向人们暗示着狭义相对论也是正确的,从此相对论开始风靡世界。

我们并不否认爱丁顿爵士的观测结果,也承认爱因斯坦对星光路过太阳表面产生偏折的预测值与两个观测值近似这个事实。后来爱因斯坦在书中解释他得出的偏折1.75″比按经典力学计算数值多一倍的原因是:“按照理论,这个偏转的一半是由于太阳的牛顿引力场造成的;另一半是太阳导致的空间几何形变(弯曲)造成的。①”对此,我们也不得不提出几个疑问:

    ①《狭义与广义相对论》【美】爱因斯坦 著.杨润殷 译. 北京大学出版社,  2006年l 月第1 版 100页。

   (1)爱因斯坦在广义相对论中已经用空间弯曲替代了万有引力,并称其为引力几何化。又哪儿来的一半是万有引力效应,一半是空间弯曲造成的呢?如果我们承认光线的偏转一半是万有引力效应,一半是空间弯曲引起的,就等于否认了广义相对论的空间弯曲已经替代了万有引力。空间弯曲的内涵到底是什么?如果广义相对论的空间弯曲已经包含了万有引力,那么实验结果的一半是空间弯曲的解释就是错误的。

   (2)万有引力和空间几何形变对光线产生的偏折力各占一半,可见在太阳附近产生的空间几何形变的力是何等的强烈,如此而推:水星是离太阳最近的行星,相对论声称水星进动也是空间弯曲所致,每百年多进动43.1″,即每年0.431″,水星每公转一圈因为空间弯曲而造成的影响只占万有引力的26.127万分之一(见下节水星进动),其水星进动时的空间弯曲影响之小与太阳光线弯折时的空间弯曲影响之大,尤其是比值相差26万倍,不得不令人质疑。

   (3)按前面所述万有引力和空间形变是分别作用于空间的,它们在太阳附近的力是1比1,必然存在着半径衰减的问题,是几何形变在空间中的衰减快呢?还是万有引力的场强度衰减的快呢?根据相对论的空间弯曲理论,地球引起的空间弯曲尚能达到2.5 AU(见第二章第四节的空间弯曲和科里奥利力),可见太阳引起的几何形变范围应该大大超过本身万有引力的作用范围,可是为什么我们看到地球绕日旋转是由强大的太阳引力场所致,而不是太阳引起的空间几何形变所为呢?

   (4)爱因斯坦只给出如下表示:既没有算式,也没有给出这1.7″是如何计算出来的,叫别人怎么去计算和相信呢?又有哪些条件与光线的偏折有关呢?太阳质量产生的万有引力已经用在了使光线偏转0.875″上,那么使得“空间几何形变”的力又是什么而为呢?

   (5)很早就有人提出当遥远的星光经过星际空间到达太阳附近会遇到太阳喷出的稠密的物质,由于不同的密度所产生的折射现象也是使光线偏折的一个原因。总之太阳附近除了引力之外应该不同于宇宙深空,能使光线在太阳附近偏转的力到目前还根本说不清楚。我们关心的是偏转力,以及如何客观地解释这个力。

基于以上各点,光线在太阳附近偏折这个结果并不能说明什么,既不能代替相对论回答前面各章节提出的问题,也不能代替两个假设的证明,更不应该言其已经证明了空间弯曲是正确的。

    相反,光线的弯曲却告诉我们一个事实,光线并不像相对论认为的那样是一种特殊的物质。光线在引力场的作用下发生了偏折,证明光和普通的物质一样,它同样遵守经典力学的定律,光速也同样遵守经典力学的速度合成原理。

 

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