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現代物理學之父,愛因斯坦九大頂級預言,除了它,全部得到證實

2024-02-29科學

引言

愛因斯坦因對物理學領域的貢獻,尤其是創立了相對論,奠定了現代物理學的基礎,因而被尊稱為「 現代物理學之父」

除此之外,愛因斯坦還獲得了 科學泰鬥 20世紀最偉大的科學家之一,科學巨匠,千年偉人 等崇高稱號,他還榮獲了1921年度的 諾貝爾物理學獎, 艾拔·愛因斯坦世界科學獎得主 設立的榮譽稱號

愛因斯坦的一生有許多預言,其中的九大預言,除了它,都已經得到科學家們的驗證成為了現實。

重力拖拽效應(Frame-dragging)

重力拖拽效應(Frame-Dragging Effect),它描述了這樣一個現象:一個旋轉物體,比如地球或者一顆快速旋轉的中子星,其 自身的旋轉會帶動周圍 時空 結構一起旋轉 ,也就是說,它會使周圍時空參照系發生扭曲和拖拽。

實驗上,重力拖拽效應是一個難以直接測量的現象,因為地球引起的拖拽效應非常微弱。直到2004年,美國太空總署(NASA)的「重力探測器B」(Gravity Probe B)任務進行了長達數年的精密測量,才提供了重力拖拽效應存在的間接證據,進一步證實了廣義相對論的這一預測。

光線偏折

按照牛頓重力理論,光被認為是粒子形式傳播,同樣受到重力作用而改變其直路線徑。然而,愛因斯坦的廣義相對論給出了更為精確的描述: 光線在經過強重力場(如太陽附近)時的偏折是因為光沿著四維時空的曲率傳播,而非簡單的重力吸引所致

愛因斯坦在1915年提出的理論,預言太陽附近的星光會偏折1.74角秒,這一預言在1919年由英國天文學家,亞瑟·愛丁頓爵士領導的日全食觀測中得到了初步驗證,觀測結果顯示星光偏折角度與廣義相對論預言的結果一致,從而極大地提升了廣義相對論的聲望和接受程度。此後,多次天文觀測都驗證了光線偏折的廣義相對論預測。

水星近日點進動

水星近日點進動(Perihelion precession of Mercury)是指 水星在其橢圓軌域上執行時,近日點(即它離太陽最近的那個點)在軌域面上逐年緩慢向前移動的現象 。觀測數據顯示,水星近日點每世紀進動約5,600角秒,這個數值超出了純牛頓重力理論所能預測的數值。

即便考慮到所有已知的牛頓力學因素,計算出的進動量仍不足以解釋觀測到的全部進動。剩余的約每世紀43.11角秒的差異,被稱為「 水星近日點的反常進動 」。

廣義相對論預言, 由於太陽的質素和能量會彎曲周圍的空間時間,進而影響水星在其軌域上的運動方式,這就導致了觀測到的額外進動 。後續的觀測數據與廣義相對論的預測相吻合,從而成為廣義相對論成立的重要實驗證據之一。

重力波

重力波類似於電磁波,但是它是由於重力而非電荷變化產生的,它攜帶著能量和動量,能夠穿越宇宙幾乎不受阻礙

具體而言,當兩個大質素物體(例如兩個黑洞或中子星)相互加速運動,例如在合並過程中,它們會對周圍的時空結構產生擾動,這些擾動以光速向外傳播,形成重力波。 在重力波透過時,它會使空間在一個方向拉伸而在垂直方向壓縮,然後再恢復原來的形狀,形成交替的膨脹和收縮波紋

2015年,激光幹涉重力波天文台(LIGO)宣布首次直接探測到了重力波訊號,該訊號來自於一對黑洞合並事件,這一重大發現證實了愛因斯坦廣義相對論的一個關鍵預言,並開啟了重力波天文學的新紀元。自此以後,科學家們透過LIGO和Virgo等重力波探測器觀測到了更多重力波事件,這些觀測結果為深入研究黑洞、中子星等極端天體以及宇宙早期歷史提供了新的途徑。

黑洞

黑洞是宇宙中由極度強大的重力場所形成的區域,這個區域內的時間和空間極度扭曲,以至於任何東西,包括光線,一旦越過黑洞的邊界——事件視界,都將無法逃離其重力吸引。 黑洞的存在表現為一個空間區域的密度極高、體積無限小的奇異點,以及環繞奇異點的事件視界

近年來,科學家透過觀測黑洞對周圍環境的影響,比如伴星運動、吸積盤輻射以及重力波訊號等方式,間接證明了黑洞的存在。2019年,第一張黑洞影像由事件視界望遠鏡(EHT)國際合作專案釋出,首次直接展示了黑洞的影像證據。

重力透鏡效應

當光線從遙遠的光源穿過宇宙中某一大質素物體(如星系、星系團或黑洞)附近時,由於質素體造成的時空彎曲,光路線徑會發生彎曲,就像光線透過傳統光學透鏡那樣發生折射 。這種現象導致觀察者看到的光源位置、形狀和亮度發生變化。

當背景光源、大質素物體和觀察者近乎完美對齊時,可以形成多個放大、反轉或拉伸的像,這種現象稱為愛因斯坦環或其他復雜的弧形結構。這一效應已被天文觀測所證實。

重力紅移

重力紅移是愛因斯坦廣義相對論的一個重要預言和實驗驗證結果,它描述了 在強重力場中,光或者其他電磁波在離開重力場時,其頻率會變低,波長增長,表現為光譜向紅端移動的現象 。這一現象反映了重力對時間和空間的影響,即在強重力場附近,時間流逝會變慢,從而使得光子的能量(與頻率成正比)在離開重力場時相對較低。

1960年代,科學家透過對恒星表面光譜的觀測和分析,特別是在白矮星上,成功驗證了重力紅移的存在,這為廣義相對論提供了有力的實驗證據。同時,重力紅移也是理解宇宙學尺度上天體紅移現象(例如哈伯紅移)時必須考慮的一個重要因素。

愛因斯坦-羅森橋(蟲洞)

愛因斯坦-羅森橋,又稱蟲洞。 這是一種理論上的時空結構,它連線宇宙的不同區域或不同的時空點,允許在瞬間或短時間內完成極大的空間跨度,理論上甚至是時間跨度的旅行 。然而,維持蟲洞開放並可供航行的條件是非常苛刻的,可能需要負能量密度的物質(即奇異物質)填充蟲洞以防止其迅速閉合。

盡管蟲洞至今尚未經直接觀測證實,但作為科幻作品和理論物理學中的熱門話題,它激發了大量關於宇宙拓撲結構、時空旅行可能性的討論和研究。在現代物理學中,蟲洞是探索宇宙學、量子重力理論和宇宙間通訊等前沿課題的重要組成部份。

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

玻色-愛因斯坦凝聚,是印度物理學家玻色和愛因斯坦,在1924年至1925年間獨立提出並預測。這種凝聚現象出現在低溫下,當大量玻色子(比如氦-4原子、堿金屬原子等) 降溫至接近絕對零度(0 K)時,大部份玻色子將會占據最低的量子態,相同粒子會落入單個量子態,形成一個宏觀的量子態,使得整個系統呈現出量子力學的集體行為

這個預測,直到1995年,由科羅廖夫、康奈爾和維曼三位科學家在實驗室中透過激光冷卻和蒸發冷卻技術實作,他們也因此在2001年獲得了諾貝爾物理學獎。

未被證實的預言

愛因斯坦之所以偉大,他的每一項發明或預言都是如此讓人震撼, 未被證實或仍在探索階段的預言,多數人認為還有三個 :空間旅行的可能性,特別是透過蟲洞進行的 時空旅行 ;與生態系的崩潰或人類命運有關的全球性問題的預言,如與疾病或人為因素導致的 全球危機 ;宇宙學方面更深層次的問題,如 宇宙第一推動力 (即宇宙起源的動力來源)等。

結語

在這九大預言中,愛因斯坦-羅森橋(蟲洞)是個讓人神往和期待的預言,如果被證實為真,那麽除了證實者會獲得若貝爾獎外,愛因斯坦也將離「封神科學家」的頭銜又近了一步。讓我們拭目以待!