愛丁頓爵士的日蝕觀測實驗驗證愛因斯坦的廣義相對論
愛丁頓爵士（Sir Arthur Eddington）於1919年進行的日蝕觀測實驗是驗證愛因斯坦廣義相對論的一項著名實驗。這次觀測的目的是測量星光在太陽引力場中的偏折，從而驗證廣義相對論的預測。
愛丁頓的日蝕觀測背景
愛因斯坦於1915年提出的廣義相對論預測，重力不僅會影響物體的運動，還會彎曲時空本身。這意味著當光線接近一個大質量天體（如太陽）時，光線的路徑會被彎曲。
根據廣義相對論，光在太陽附近的彎曲角度應為1.75角秒，而根據牛頓的經典理論，這個角度應只有約0.87角秒。因此，觀測光的偏折能夠驗證哪個理論更準確。
1919年的日蝕觀測
1919年5月29日發生了一次日全蝕，這為觀測星光在太陽引力下的偏折提供了絕佳的機會。當時，太陽會完全遮擋在月亮後面，從而使得靠近太陽邊緣的背景恆星變得可見。
愛丁頓領導兩支觀測隊分別前往巴西索布拉爾和西非的普林西比島進行觀測。透過日全蝕的天象，觀測到的恆星光線會因為太陽的引力而偏折，這種偏折可以用來驗證愛因斯坦的理論。
觀測結論
在觀測結束並分析數據後，愛丁頓宣布，觀測結果顯示背景恆星的光確實偏折了約1.6到2.1角秒，接近廣義相對論預測的1.75角秒。這些數據明顯偏離牛頓理論的預測（0.87角秒），因此支持了愛因斯坦的廣義相對論。
結論的意義
驗證了廣義相對論：觀測結果與廣義相對論的預測一致，證實了重力可以彎曲時空，並影響光的傳播路徑。
提升愛因斯坦的國際聲譽：這次成功的觀測使愛因斯坦成為全球知名的科學家，廣義相對論成為物理學的重要理論基礎。
改變了對重力的理解：觀測結果挑戰了傳統牛頓力學對重力的理解，進一步推動了現代物理學的發展。
總的來說，愛丁頓的1919年日蝕觀測不僅證實了愛因斯坦的理論，還開創了物理學的新時代，為我們理解宇宙的運行方式提供了新的視角。
當太陽出來時，只有一種方法可以看到星星。 那是在日全食期間。 你必須在正確的時間出現在正確的地點。 晴朗的天空下。 站在狹窄路徑的某個地方，月亮在太陽和地球之間完美對齊。 當月亮經過太陽圓盤前面時，它會使天空變暗，足以讓遠處的星星變得可見。 有很多日全食的照片。 但這一個很特別。 它幫助證明了一個激進的想法。 這重新定義了重力。 並使阿爾伯特愛因斯坦成為名人。 因為這張照片中的星星並不在它們應該在的地方。 艾薩克·牛頓在1687 年出版的《原理》中為理解物理宇宙奠定了基礎。它們保持在軌道上。 200 多年來，重力一直被這樣定義：一種吸引力。 但阿爾伯特愛因斯坦認為重力是完全不同的東西。 根據他於 1915 年發表的廣義相對論，引力不是空間中物體之間的力。 這是物體對空間本身形狀的影響。 根據愛因斯坦的說法，像太陽這樣的大質量物體會彎曲它們周圍的空間。 因此，當較小的物體沿著該空間直線移動時，由於較大物體的質量引起的曲線，它會發生轉向。 這會將一個物體置於圍繞另一個物體的軌道上。 如果愛因斯坦是對的，那麼同樣的曲線也會改變光路。 這意味著，如果你透過地球上的望遠鏡觀察遙遠的恆星，而太陽在它們前面，它們的光線會因太陽引力而偏轉，會使它們看起來稍微偏離位置。 這是一個革命性的想法。 但有一個很大的衝突阻止愛因斯坦對其進行測試。 世界正處於戰爭之中。 愛因斯坦當時住在德國。 但他的工作落到了一位英國天文物理學家阿瑟愛丁頓 (Arthur Eddington) 的手中。 儘管愛丁頓和天文學家弗蘭克戴森站在戰爭的對立面，但他們還是開始測試這個理論。 他們會拍攝日全食。 他們需要將夜空中星團的位置與日食期間相同恆星的照片進行比較。 如果恆星的視位置發生了變化，那就證明星光正在穿過被太陽引力彎曲的空間。 1919 年 5 月的日食是這項實驗的理想選擇。 太陽將位於一個非常密集的星團－畢宿星團的前面。 這意味著日食期間可以看到多顆明亮的恆星。 計劃於 1917 年開始，幾年後，兩支探險隊離開了英國。 愛丁頓率領一支前往西非普林西比島，另一支則前往巴西索布拉爾。 位於日食路徑上且氣候適宜的兩個地點。 每個小組都攜帶強大的攝影望遠鏡，可以將太空的詳細照片記錄在玻璃板上。 拍攝五月的日食需要運輸，然後在現場小心地組裝它們。 其中一台望遠鏡上的板傾斜 45 度，以包含盡可能多的恆星。 這就是結果。 這是 1919 年探險中為數不多的成功板塊之一。 它來自巴西。 它展示了全食期間的日食、日冕的爆發以及罕見的日珥。 最重要的是畢星團的明亮恆星。 回到英國後，愛丁頓使用一台可以在微觀層面上對照片進行測量的機器，將日食板上星星的位置與另一個夜空的位置進行了比較。 比較表明，日食期間恆星的移動量大致與愛因斯坦預測的一致。 根據牛頓的計算，星光在太陽附近也應該彎曲。 但如果愛因斯坦是對的，那麼這個偏差將是牛頓預測的兩倍。 愛丁頓的結果表明，恆星的偏轉比牛頓的計算更接近愛因斯坦的計算。 這不是完美的匹配，但它足夠接近來驗證廣義相對論，並徹底改變我們對宇宙的理解。 1919 年11 月7 日，倫敦《泰晤士報》首次宣布了該實驗的成功。而太空被行星和恆星扭曲的消息讓全世界興奮不已。 在此之前，愛因斯坦只在物理學界為人所知，但他實際上一夜之間成為了名人。 在他的餘生中，他仍然是國際流行文化的偶像。 也是新聞攝影師最喜歡的主題。 在接下來的幾十年裡，觀測日食仍然是檢驗廣義相對論的一種方法，也是新聞攝影師最喜歡的主題。 在接下來的幾十年裡，觀測日食仍然是檢驗廣義相對論的一種方法。 用更精密的設備一再證實了愛因斯坦理論的準確性。 廣義相對論使物理學家開始理解關於宇宙的先進概念──例如黑洞。 最終導致了這一結果：第一張黑洞照片，拍攝於 2019 年。
此影像是用哈伯太空望遠鏡拍攝的，顯示了位於天爐座的遙遠星系。它是迄今為止發現的最大、最完整的愛因斯坦環之一。 這個物體不尋常的形狀是重力透鏡效應的結果。阿爾伯特·愛因斯坦在他的廣義相對論中，首先提出了一個大重力場可以作為透鏡的理論。 大量的物質，例如星系團，會產生一個重力場，它會扭曲和放大來自其後面但處於同一視線的遙遠星系的光線。效果就像透過巨大的放大鏡觀察一樣。 在這種情況下，來自背景星系的光被位於其前面的星系團的引力扭曲成我們所看到的曲線。 在該圖像的中間可以看到，背景星系與星團的中央橢圓星系幾乎完全對齊，這使得背景星系周圍的圖像扭曲並放大成幾乎完美的環。 為了單獨獲得遙遠星系的清晰影像，哈伯望遠鏡的 8 英尺主鏡的直徑必須達到 157 英尺。 像這樣的物體使我們能夠研究那些因過於微弱和遙遠而無法看到如此細節的星系，幫助我們更多地了解我們令人驚嘆的宇宙！
有些物理物件很簡單，但具有深遠的應用。以鏡頭為例。你用來閱讀微小文字的放大鏡就是一個鏡頭。你奶奶用來辨識陌生人時戴的眼鏡是鏡片。生物學家用來研究細胞體的顯微鏡是鏡頭。如果你只是隨意觀察一個鏡頭，你可以說鏡頭在某種程度上扭曲了背後事物的視野。 在本影片中，我們將了解一種非常特殊的鏡頭。一個鏡頭可以幫助我們發現新的星系並看到原本看不見的東西！這是一款源自自然基本力量之一的鏡頭：重力。儘管我們對重力的了解有限，但我們可以肯定地說，這是一種非常神奇的力量。這不僅是為了讓《樂一通》中可憐的郊狼突然從懸崖上拉下來，也是為了讓我們腳踏實地。 有趣的是，超冷的重力還有一個古怪的技巧，其中之一就是它能夠充當透鏡。
重力透鏡
當大量物質（如恆星、星系或星系團）在其周圍產生強大的引力場時，就會發生引力透鏡效應，該引力場的強度足以彎曲來自遙遠星系（在它們後面）的光線。重力透鏡往往會放大遠處的源，否則這些源會被前面的星系阻擋。 諷刺的是，這些障礙星系本身就像一個透鏡，彎曲從遙遠星系發出的光線，使遙遠星系中的觀察者可以看到它們，儘管視野經常是扭曲的。在某種程度上，引力透鏡類似於透過巨型望遠鏡進行觀察。 光在大質量物體附近的彎曲聽起來像是一個超現實的想法，但其核心是愛因斯坦的相對論。 1915年，愛因斯坦提出了他的新重力理論，稱為廣義相對論。愛因斯坦認為物質扭曲了它周圍的空間和時間的結構。這意味著重力會彎曲光波，也就是說，使光波的路徑在恆星、星系甚至黑洞等大質量物體周圍彎曲。這可以用蹦床上掉落的球如何彎曲或扭曲其周圍空間的類比來理解。 嗯，時空的曲率欺騙了我們的眼睛。我們的大腦以及我們對世界的直觀理解在很大程度上局限於歐幾裡得空間。 也許我們天生就以相對於時間而言靜態的三個維度來看世界。 對我們來說，光似乎總是沿著直線傳播，這有助於我們繪製周圍的世界。我們只需用眼睛捕捉光子並向後追蹤它們的路徑即可。這一切正常，直到光的時間路徑確實是直的。 但如果加上一杯水或一面嘉年華鏡子，讓它的路徑彎曲，我們的世界觀就會突然扭曲。我們對周遭的事物產生幻覺。我們的眼睛欺騙了我們。事實證明，那些像恆星、星系和黑洞這樣的巨大天體本質上是改變我們對宇宙看法的狂歡鏡子。幸運的是，受廣義相對論和光學物理學知識的啟發，我們可以利用這種光和令人費解的現象來發現目前技術無法發現的星系和其他天體。 要將重力用作鏡頭，我們需要三樣東西：來源、鏡頭和觀察者。來源可能是恆星、星系、黑洞或暗物質區域。 透鏡也可以是恆星、星系或星系團。觀察者將是一架望遠鏡，因為用肉眼幾乎不可能探索宇宙。
愛因斯坦環
現在，如果光源、透鏡和觀察者完美對齊，並且透鏡和光源呈現球對稱，我們將看到一種稱為愛因斯坦環的美麗現象。 1998 年，哈伯望遠鏡首次觀測到愛因斯坦環。這次觀測中的光線來自暗矮星衛星星系。 光線被一個古老的星系（充當透鏡）向各個方向均勻彎曲，形成了一個塗抹環，證實了愛因斯坦 80 年前的預測！引力透鏡並不總是扭曲或放大。有時，它會導致同一物件在視覺上多次出現。
暗物質
如果我們將光源、透鏡和觀察者完美地對齊，並且透鏡是橢圓形或螺旋形的，而不是球形的，那麼您很有可能看到更有趣的東西——愛因斯坦十字。愛因斯坦十字最早由天文物理學家約翰·胡奇拉 (John Huchra) 和他的團隊於 1985 年發現。這些斑點中的每一個都屬於同一個類星體，被中間星系（ZW 2237+030）透鏡化，該星系位於我們銀河系和所討論的類星體之間。 利用重力透鏡，我們已經確認並稱量了許多以前未見過的星系，但重力透鏡也幫助我們探測宇宙中我們看不到的神秘事物……例如暗物質！暗物質是一種具有質量的物質，但不會發射光、熱或其他形式的電磁輻射，因此非常隱密。雖然我們的眼睛看不見它，但由於它有質量，它也會像普通物質一樣彎曲靠近它的光線。有趣的是，據估計，暗物質的總質量大約是宇宙中普通物質總質量的五倍！普通物質包括我們所能看到的所有物質，如小行星、行星、恆星和其他天體。暗能量巡天 (DES) 等研究正在進行中，旨在利用重力透鏡了解暗物質在整個宇宙中的分佈。也許，DES研究能夠得出宇宙中物質的精確地圖，其中包括大量神秘的暗物質。 正如您所看到的，愛因斯坦在廣義相對論方面的開創性工作為天文學家繼續研究宇宙的結構（包括可見的和不可見的）鋪平了道路。 重力透鏡這個簡單而強大的工具正在幫助我們完成這項宇宙努力！