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现代物理学之父,爱因斯坦九大顶级预言,除了它,全部得到证实

2024-02-29科学

引言

爱因斯坦因对物理学领域的贡献,尤其是创立了相对论,奠定了现代物理学的基础,因而被尊称为「 现代物理学之父」

除此之外,爱因斯坦还获得了 科学泰斗 20世纪最伟大的科学家之一,科学巨匠,千年伟人 等崇高称号,他还荣获了1921年度的 诺贝尔物理学奖, 阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖得主 设立的荣誉称号

爱因斯坦的一生有许多预言,其中的九大预言,除了它,都已经得到科学家们的验证成为了现实。

引力拖拽效应(Frame-dragging)

引力拖拽效应(Frame-Dragging Effect),它描述了这样一个现象:一个旋转物体,比如地球或者一颗快速旋转的中子星,其 自身的旋转会带动周围 时空 结构一起旋转 ,也就是说,它会使周围时空参照系发生扭曲和拖拽。

实验上,引力拖拽效应是一个难以直接测量的现象,因为地球引起的拖拽效应非常微弱。直到2004年,美国宇航局(NASA)的「引力探测器B」(Gravity Probe B)任务进行了长达数年的精密测量,才提供了引力拖拽效应存在的间接证据,进一步证实了广义相对论的这一预测。

光线偏折

按照牛顿引力理论,光被认为是粒子形式传播,同样受到引力作用而改变其直线路径。然而,爱因斯坦的广义相对论给出了更为精确的描述: 光线在经过强引力场(如太阳附近)时的偏折是因为光沿着四维时空的曲率传播,而非简单的引力吸引所致

爱因斯坦在1915年提出的理论,预言太阳附近的星光会偏折1.74角秒,这一预言在1919年由英国天文学家,亚瑟·爱丁顿爵士领导的日全食观测中得到了初步验证,观测结果显示星光偏折角度与广义相对论预言的结果一致,从而极大地提升了广义相对论的声望和接受程度。此后,多次天文观测都验证了光线偏折的广义相对论预测。

水星近日点进动

水星近日点进动(Perihelion precession of Mercury)是指 水星在其椭圆轨道上运行时,近日点(即它离太阳最近的那个点)在轨道面上逐年缓慢向前移动的现象 。观测数据显示,水星近日点每世纪进动约5,600角秒,这个数值超出了纯牛顿引力理论所能预测的数值。

即便考虑到所有已知的牛顿力学因素,计算出的进动量仍不足以解释观测到的全部进动。剩余的约每世纪43.11角秒的差异,被称为「 水星近日点的反常进动 」。

广义相对论预言, 由于太阳的质量和能量会弯曲周围的空间时间,进而影响水星在其轨道上的运动方式,这就导致了观测到的额外进动 。后续的观测数据与广义相对论的预测相吻合,从而成为广义相对论成立的重要实验证据之一。

引力波

引力波类似于电磁波,但是它是由于引力而非电荷变化产生的,它携带着能量和动量,能够穿越宇宙几乎不受阻碍

具体而言,当两个大质量物体(例如两个黑洞或中子星)相互加速运动,例如在合并过程中,它们会对周围的时空结构产生扰动,这些扰动以光速向外传播,形成引力波。 在引力波通过时,它会使空间在一个方向拉伸而在垂直方向压缩,然后再恢复原来的形状,形成交替的膨胀和收缩波纹

2015年,激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布首次直接探测到了引力波信号,该信号来自于一对黑洞合并事件,这一重大发现证实了爱因斯坦广义相对论的一个关键预言,并开启了引力波天文学的新纪元。自此以后,科学家们通过LIGO和Virgo等引力波探测器观测到了更多引力波事件,这些观测结果为深入研究黑洞、中子星等极端天体以及宇宙早期历史提供了新的途径。

黑洞

黑洞是宇宙中由极度强大的引力场所形成的区域,这个区域内的时间和空间极度扭曲,以至于任何东西,包括光线,一旦越过黑洞的边界——事件视界,都将无法逃离其引力吸引。 黑洞的存在表现为一个空间区域的密度极高、体积无限小的奇点,以及环绕奇点的事件视界

近年来,科学家通过观测黑洞对周围环境的影响,比如伴星运动、吸积盘辐射以及引力波信号等方式,间接证明了黑洞的存在。2019年,第一张黑洞图像由事件视界望远镜(EHT)国际合作项目发布,首次直接展示了黑洞的影像证据。

引力透镜效应

当光线从遥远的光源穿过宇宙中某一大质量物体(如星系、星系团或黑洞)附近时,由于质量体造成的时空弯曲,光线路径会发生弯曲,就像光线通过传统光学透镜那样发生折射 。这种现象导致观察者看到的光源位置、形状和亮度发生变化。

当背景光源、大质量物体和观察者近乎完美对齐时,可以形成多个放大、反转或拉伸的像,这种现象称为爱因斯坦环或其他复杂的弧形结构。这一效应已被天文观测所证实。

引力红移

引力红移是爱因斯坦广义相对论的一个重要预言和实验验证结果,它描述了 在强引力场中,光或者其他电磁波在离开引力场时,其频率会变低,波长增长,表现为光谱向红端移动的现象 。这一现象反映了引力对时间和空间的影响,即在强引力场附近,时间流逝会变慢,从而使得光子的能量(与频率成正比)在离开引力场时相对较低。

1960年代,科学家通过对恒星表面光谱的观测和分析,特别是在白矮星上,成功验证了引力红移的存在,这为广义相对论提供了有力的实验证据。同时,引力红移也是理解宇宙学尺度上天体红移现象(例如哈勃红移)时必须考虑的一个重要因素。

爱因斯坦-罗森桥(虫洞)

爱因斯坦-罗森桥,又称虫洞。 这是一种理论上的时空结构,它连接宇宙的不同区域或不同的时空点,允许在瞬间或短时间内完成极大的空间跨度,理论上甚至是时间跨度的旅行 。然而,维持虫洞开放并可供航行的条件是非常苛刻的,可能需要负能量密度的物质(即奇异物质)填充虫洞以防止其迅速闭合。

尽管虫洞至今尚未经直接观测证实,但作为科幻作品和理论物理学中的热门话题,它激发了大量关于宇宙拓扑结构、时空旅行可能性的讨论和研究。在现代物理学中,虫洞是探索宇宙学、量子引力理论和宇宙间通讯等前沿课题的重要组成部分。

玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensate, BEC)

玻色-爱因斯坦凝聚,是印度物理学家玻色和爱因斯坦,在1924年至1925年间独立提出并预测。这种凝聚现象出现在低温下,当大量玻色子(比如氦-4原子、碱金属原子等) 降温至接近绝对零度(0 K)时,大部分玻色子将会占据最低的量子态,相同粒子会落入单个量子态,形成一个宏观的量子态,使得整个系统呈现出量子力学的集体行为

这个预测,直到1995年,由科罗廖夫、康奈尔和维曼三位科学家在实验室中通过激光冷却和蒸发冷却技术实现,他们也因此在2001年获得了诺贝尔物理学奖。

未被证实的预言

爱因斯坦之所以伟大,他的每一项发明或预言都是如此让人震撼, 未被证实或仍在探索阶段的预言,多数人认为还有三个 :空间旅行的可能性,特别是通过虫洞进行的 时空旅行 ;与生态系统的崩溃或人类命运有关的全球性问题的预言,如与疾病或人为因素导致的 全球危机 ;宇宙学方面更深层次的问题,如 宇宙第一推动力 (即宇宙起源的动力来源)等。

结语

在这九大预言中,爱因斯坦-罗森桥(虫洞)是个让人神往和期待的预言,如果被证实为真,那么除了证实者会获得若贝尔奖外,爱因斯坦也将离「封神科学家」的头衔又近了一步。让我们拭目以待!