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2015年11月25日為愛因斯坦發表廣義相對論的100周年。廣義相對論和牛頓力學都在解釋重力作用,但廣義相對論是以時空結構的彎曲程度來詮釋重力的現象,從而發展出黑洞、重力波、宇宙膨脹等等諸多的全新研究領域。百年來的各項天文相關觀測結果,都證明廣義相對論預測結果的正確性,其中最著名的就是水星軌道近日點攝動問題和1919年透過日全食而觀測到的重力透鏡現象。
水星軌道近日點攝動問題早在廣義相對論發表之前就已經發現,其每100年的近日點位置改變總量,比單純用牛頓力學中行星擾動和太陽扁橢球形狀等引起的還要大43",但科學家一直無法解釋這種現象的成因。直到愛因斯坦以廣義相對論提出太陽重力使鄰近空間結構扭曲,進而影響水星軌道平面才造成近日點位置偏移,且以此計算出的差值為42.98",非常接近觀測值。這是廣義相對論發表當時的三項預測之一,也是廣義相對論贏得的第一個勝利。其他行星也有類似現象,只是因離太陽較遠使影響較小,且公轉耗時較長而需花更多時間進行觀測,故不若水星明顯,例如地球每百年3.84",金星每百年8.62"。
廣義相對論三項預測之二,是重力會讓光線彎曲。愛因斯坦早在廣義相對論逐漸發展的10年間就考慮這件事,並於1911年的一篇論文中提出恆星的光會被太陽重力偏折而使所見之恆星位置偏移,但平時日光過亮而無法觀察,可在日全食進行檢驗。有批德國天文學家在1914年前往俄國觀察日全食以驗證愛因斯坦的預測,不幸遭逢第一次世界大戰爆發而被俘虜,觀測儀器全被沒收,喪失一次良好的機會。之後英國劍橋大學天文台台長愛丁頓率領觀測隊前往西非幾內亞普林西比島觀察1919年5月29日發生的日全食,成功觀測到原本應該在太陽背後的恆星位置偏移到太陽側邊,位置偏移量與以廣義相對論計算的幾乎一致,全球科學界為之嘩然,愛因斯坦也一夕成名。這其實就是現在應用得非常廣的重力透鏡效應,質量龐大的天體的重力場如同一片凸透鏡一樣,可以將其後方遙遠天體的光線聚焦並變亮,天文學家就可以趁機研究那些原本暗得觀察不到的天體,無論是太陽系外圍的小行星、系外行星、宇宙初始的矮星系等,讓天文學家能發現更多的宇宙奧秘。
另外有個小故事:你知道愛因斯坦和莫札特有什麼關係嗎?愛因斯坦在思索發展廣義相對論等各種理論時,常常演奏莫扎特的曲子幫助思考,他認為莫札特的音樂和宇宙天體一樣都有自然的和諧之道,只等著人們來尋覓發現呢!
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