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時空扭曲100年─從1919年5月的日全食談起

1919年5月29日,艾丁頓爵士帶領觀測隊遠赴西非外海聖多美普林西比,去觀測日食以驗證廣義相對論,這次觀測,立下了人類認知宇宙時空結構的里程碑!從他拍攝的日食照片中,艾丁頓發現太陽邊緣背後的恆星位置的確略有偏移,正符合愛因思坦的預測!
 
 
1919年5月29日,艾丁頓爵士帶領觀測隊遠赴西非外海聖多美普林西比,去觀測日食以驗證廣義相對論,這次觀測,立下了人類認知宇宙時空結構的里程碑!從他拍攝的日食照片中,艾丁頓發現太陽邊緣背後的恆星位置的確略有偏移,正符合愛因思坦的預測!太陽的巨大質量使它周邊的時空扭曲,遙遠的星光經過太陽旁邊,會順著扭曲的時空微微轉彎,讓地球人看到原來不應該看到的星星!這個驗證結果從此確立了愛因思坦在宇宙學殿堂中的至尊地位。但艾丁頓爵士要走上講台宣布結果,也是人間扭曲的一個場合:一個英國的科學家,親口宣布一個德國科學家的理論是對的?又是在一次大戰剛打完的時候?
 
講演綱要(審校|孫維新)

第一場春季展望演講,由國立臺灣大學天文物理研究所的教授,也是本系列演講主持人之一,來自國立自然科學博物館的孫維新館長擔綱。以「時空扭曲100年─從1919年5月的日全食談起」為題,從一場改變觀念的歷史事件,引出「時空」本質的具體事證,「扭」轉這個理論原本「曲」高和寡的地位,開啟了當代物理的「百年」思潮、探索,與認識。

 

2019年是1919年的百周年,這聽起來是無須置喙,顯而易見的事,但之所以特別強調,正是因為百年前的1919年,發生了改變物理定律的觀測事件。多數學物理的人對愛因斯坦有著強烈的崇敬,當年學長們總是愛半開玩笑的自稱「出生於愛因斯坦去世那年」,回想起來,真是詼諧有趣!

 

「相對論」是愛因斯坦所提出的著名理論,狹義相對論強調高速但等速的現象;廣義相對論則對重力場和加速度運動作出說明。愛因斯坦讓我們了解到高速運動會產生什麼樣的現象,包含了長度縮短、質量增加,以及時間變長。他也讓我們了解時間不再是牢不可破的概念,是可以變化的。具體而言,廣義相對論後續在天文上的影響深遠,包含了水星近日點的進動、重力透鏡、宇宙常數,和重力波等。

 

水星近日點的進動,指得是水星繞太陽的橢圓軌道,並不固定,會隨時間持續旋轉,使得近日點的位置不斷改變,科學家稱之為「進動」(Precession)。這個現象並不稀奇,牛頓力學早就預測過行星軌道會因其他行星合力作用造成進動,但問題是這樣的預測是否準確?事實是,除了水星之外,牛頓力學確實可以解決其他行星的類似問題,但到了水星牛頓力學就失靈了。科學家由地球測量到水星的軌道進動是5,600角秒/世紀,然而牛頓力學考慮所有行星和太陽的影響,預測的結果卻只得到5,557角秒/世紀,這個43角秒/世紀的落差讓天文學家難以接受。

 

於是有人提出了一個假設:在水星和太陽之間應該還有一個行星,這個行星被命名為Vulcan,它所產生的額外重力造成了水星近日點的偏移。這個假設影響很多人,甚至包含好萊塢的電影製作人!之後愛因斯坦提出了廣義相對論解釋這個誤差來源:因為太陽的存在導致周遭時空扭曲,當水星經過最接近太陽的一點時會被加速,使得軌道轉向,而廣義相對論預測的轉向偏移就是43角秒/世紀!

 

天體經過太陽旁邊會轉彎,那光線是否也會?愛因斯坦說我們會看到被太陽擋住的星星,廣義相對論預測星光通過太陽旁邊會轉彎,當時選定一顆恆星,預測它的位置看起來會偏移1.75角秒。一個科學工作者最重要的是如何提出一個更好的問題,他們不追求真理,因為科學領域裡沒有真理,只有真相。我們不可能提出一個不被推翻的理論。當時愛因斯坦提出星光會轉彎的預測,那麼我們要如何驗證?很簡單─就是日食。只有在日全食的時候拍攝太陽,才有機會看到太陽背後的星星。

 

現在的我們能看到這個現象可謂幸運,畢竟月亮正在一點一點地遠離地球。在1919年5月29日在聖多美普林西比有一次日全食,那次的日全食經過了南美和非洲。他解釋到,日全食其實很精彩,然而要在日食那時候做星星的觀測很困難。在觀測日食時最好的保護眼睛方法是去相館買一卷黑白底片,拉出來充分曝光後請對方幫你沖洗,這樣你就會得到黑色的底片,剪兩段疊在一起就可以觀測了。日全食會出現的現象包含了鑽石環、日冕,和貝里珠串,想要看到貝里珠串建議選擇全食帶中心偏南的地區進行觀測。

 

日全食最長的理論值是7分31秒,這需要滿足幾個條件:需要用最大的月亮(即月亮在「近地點」),去擋最小的太陽(地球在「遠日點」),並且發生在中午和赤道上。NASA在1974年用飛機看了74分鐘的日食,孫館長也問這是怎麼做到的呢?一般的民航機時速大約900km,而太陽的影子移動速度等同於地球自轉的速度,約為時速1600km,NASA當年使用的是協和號,速度非常可觀。1919年艾丁頓爵士的日食觀測拍攝了照片,辛苦處理分析後,發現那顆目標星的位置偏移約為1.68角秒,相當接近於廣義相對論預測的1.75角秒,這才真正奠定了愛因斯坦大科學家的地位。

 

會讓星光轉彎,代表重力場會產生「透鏡」般的效果。這種「重力透鏡」會出現在哪個層級?例如,包含小行星(MACHO計畫)、系外行星(微重力Micro-lensing)、恆星(星光轉彎)、星系(愛因斯坦環、愛因斯坦十字架)、星系團(相撞時揭露了暗物質的存在,暗物質會超前,而正常氣體落後)和類星體(中介星系造成多重影像,可用來研究宇宙時空),科學家可以利用重力透鏡的現象觀察幾乎所有層級的天體天象!

 

MACHO計畫看得是離我們銀河最近,距離約16萬3千光年的大麥哲倫星系,探討我們銀河周邊是否有足夠多褐矮星,會造成大麥哲倫星系中的恆星光芒瞬間變亮;孫館長接著說明了重力透鏡現象如何會使遙遠恆星變亮的原理;也展示「微重力透鏡」(Micro-gravitational lensing)如何用來發現系外行星,與中介星系將一個天體影像分成四個,還有近處星系團將遠處的星系影像彎曲成馬蹄鐵形狀的好些重要影像。

 

在解釋著名的雙影像類星體QSO 0957+561A跟QSO 0957+561B,是如何提供宇宙時空曲率的研究,藉透鏡效應告訴我們宇宙時空的結構後,最後以愛因斯坦的珍貴相片作為結尾,並補充百年前預測的重力波,2015年LIGO才偵測到,成為全球矚目的事件。如今已觀測到多起兩個黑洞合併,以及兩個中子星合併的事件,這些過程都會釋放大量的重力波朝四面八方散出去,成為人類偵測和應用來瞭解宇宙時空的好幫手。

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