愛丁頓到底有沒有驗證廣義相對論

2023-01-29 12:27:02 字數 3091 閱讀 9294

乙個教科書中的神話

有一些進入了教科書的說法,即使被後來的學術研究證明是錯了,仍然會繼續廣泛流傳數十年之久。「愛丁頓2023年觀測日食驗證了廣義相對論」就是這樣的說法之一。即認為愛丁頓通過2023年5月的日全食觀測,驗證了愛因斯坦廣義相對論對引力場導致遠處恆星光線偏折的預言。

這一說法在國內各種科學書籍中到處可見,稍舉數例如下:

理查德·奧爾森等人編的《科學家傳記百科全書》「愛丁頓」條這樣寫道:「愛丁頓……拍攝2023年5月的日蝕。他在這次考察中獲得的結果……支援了愛因斯坦驚人的預言。

」著名的伽莫夫《物理學發展史》、卡約裡《物理學史》中都採用同樣的說法。在非物理學或天體物理學專業的著作中,這種說法也極為常見,比如在卡爾·齊默所著《演化:跨越40億年的生命紀錄》一書中,為反駁「智慧型設計論」,舉了愛因斯坦廣義相對論對引力場導致遠處恆星光線偏折的預言為例,說「智慧型設計論」無法提出這樣的預言,所以不是科學理論。

作者也重複了關於愛丁頓在2023年日食觀測中驗證了此事的老生常談。這個說法還進入了科學哲學的經典著作中,波普爾在著名的《猜想與反駁》一書中,將愛丁頓觀測日食驗證愛因斯坦預言作為科學理論預言新的事實並得到證實的典型範例。他說此事「給人以深刻印象」,使他「在1919~2023年冬天」形成了著名的關於「證偽」的理論。

愛丁頓驗證了廣義相對論的說法,在國內作者的專業書籍和普及作品中更為常見。

長高的秘訣

有效增高

這個被廣泛採納的說法從何而來的呢?它的出身當然是非常「高貴」的。例如我們可以找到愛丁頓等三人聯名發表在2023年《皇家學會哲學會報》(philosophical transactions of the royal society)上的**,題為《根據2023年5月29日的日全食觀測測定太陽引力場中光線的彎曲》,作者在**最後的結論部分,明確地、滿懷信心地宣稱:

「索布拉爾和普林西比的探測結果幾乎毋庸置疑地表明,光線在太陽附近會發生彎曲,彎曲值符合愛因斯坦廣義相對論的要求,而且是由太陽引力場產生的。」

上述結論當然不是愛丁頓爵士的自說自話,它早已得到科學共同體的權威肯定。事實上在此之前愛丁頓已經公布了他的上述結論。因為在2023年的《自然》(nature)雜誌上,e.

cunningham**兩期的長文《愛因斯坦關於萬有引力的相對論》中已經引用了上述愛丁頓**中的觀測資料和結論。

愛丁頓其實未能驗證愛因斯坦的預言

那麼這個進入教科書多年的「標準說法」,究竟有什麼問題呢?

這就要涉及「科學的不確定性」了。本來,諸如相對論、物理學、天體物理之類的學問,在西方通常被稱為「精密科學」——指它們可以有精密的實驗或觀測,並可以用數學工具進行高度精確的描述。但是,即使是這樣的學問,仍然有很大的不確定性。

而這種不確定性是我們傳統的「科普」中視而不見或盡力隱瞞的。

具體到在日食時觀測太陽引力場導致的遠處恆星光線彎曲(偏折)這件事,事實上其中的不確定性遠遠超出公眾通常的想象。

之所以要在日食時來驗證太陽引力場導致的遠處恆星光線彎曲,是因為平時在地球上不可能看到太陽周圍(指視方向而言)的恆星,日全食時太陽被月球擋住,這時才能看到太陽周圍的恆星。在2023年的時代,要驗證愛因斯坦廣義相對論關於光線彎曲的預言,辦法只有在日食時進行太陽周圍天區的光學照相。但麻煩的是,在**上當然不可能直接看到恆星光線彎曲的效應,所以必須仔細比對不同時間對相同天區拍攝的**,才能間接推算出恆星光線彎曲的數值。

比較合理的辦法是,在日食發生時對太陽附近天區照相,再和日食之前半年(或之後半年)對同一天區進行的照相(這時遠處恆星光線到達地球的路上沒有經過太陽的引力場)進行比對。通過對相隔半年的兩組**的比對和測算,確定恆星光線偏折的數值。這些比對和測算過程中都要用到人的肉眼,這就會有不確定性。

更大的不確定性,是因為即使在日全食時,緊貼太陽邊緣處也是不可能看到恆星的,所以太陽邊緣處的恆星光線偏折數值只能根據歸算出來的曲線外推而得,這就使得離太陽最近的一兩顆恆星往往會嚴重影響最後測算出來的數值。

那麼愛丁頓2023年觀測歸來宣布的結論是否可靠呢?事後人們發現,是不可靠的。

在這樣一套複雜而且充滿不確定性的照相、比對、測算過程中,使最後結果產生誤差的因素很多,其中非常重要的乙個因素是溫度對照相底片的影響。愛丁頓他們在報告中也提到了溫度變化對儀器精度的影響,他們認為小於10°f的溫差是可以忽略的,但在兩個日食觀測點之一的索布拉爾,晝夜溫差達到22°f。在索布拉爾一共拍攝了26張比較底片,其中19張由一架天體照相儀拍攝,質量較差;7張由另一架望遠鏡拍攝,質量較好。

然而按照後7張底片歸算出來的光線偏折數值,卻遠遠大於愛因斯坦預言的值。

最後公布的是26張底片的平均值。研究人員後來驗算發現,如果去掉其中成像不好的一兩顆恆星,最後結果就會大大改變。

不是學術造假,是社會建構

愛丁頓當年公布這樣的結論,在如今某些「學術打假恐怖主義」人士看來,完全可以被指控為「學術造假」。當然,事實上從來也沒有人對愛丁頓作過這樣的指控。科學後來的發展最終還是驗證了他的「驗證」。

在2023年愛丁頓轟動世界的「驗證」之後,2023年、2023年、2023年、2023年、2023年各次日食時,天文學家都組織了檢驗恆星光線彎曲的觀測,各國天文學家公布的結果言人人殊,有的與愛因斯坦預言的數值相當符合,有的則嚴重不符。這類觀測中最精密、最成功的一次是2023年6月30日的日全食,美國人在茅利塔尼亞的欣蓋提沙漠綠洲作了長期的準備工作,用精心設計的計算程式對所有的觀測進行分析之後,得到太陽邊緣處恆星光線偏折值為1.66″±0.

18″。為了突破光學照相觀測的極限,1974~2023年間,福馬倫特和什拉梅克利用甚長基線干涉儀觀測了太陽引力場對三個射電源輻射的偏折,終於以誤差小於1%的精度證實了愛因斯坦的預言。也就是說,直到2023年,愛因斯坦廣義相對論的預言才真正得到了驗證。

但這一系列科學工作通常都沒有得到公眾和**的關注。

那麼,愛丁頓當年為什麼不老老實實宣布他們得到的觀測結果未能驗證愛因斯坦的預言呢?我們倒也不必對愛丁頓作誅心之論,比如說他學風不嚴謹、動機不純潔等等。事實上,只需認識到科學知識中不可避免地會有社會(人為)建構的成分,就很容易理解愛丁頓當年為什麼要那樣宣布了。

科學中的不確定性其實普遍存在,而不確定性的存在就決定了科學知識中必然有人為建構的成分,這是乙個方面。另一方面,則是社會因素的影響。愛丁頓當時的學術聲譽、他的自負(相傳他當時自命為除了愛因斯坦之外唯一懂得相對論的人)、科學共同體和公眾以及大眾傳媒對他2023年日食觀測的殷切期盼等等,這一切都在將他「趕鴨子上架」,他當時很可能被頂在槓頭上下不來了。

所以,是2023年的科學界、公眾、**,和愛丁頓共同建構了那個後來進入教科書的神話。

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