(2)光线在引力场中的偏转在第22节已经提到,按照广义相对论,一道光线穿过引力场时其路程发生弯曲,此种变曲情况与抛射一物体通过引力场时其路发生弯曲相似。根据这个理论,我们应该预期一道光线经过一个天体的近傍时将发生趋向该天体的偏转。对于经过距离太阳中心△个太阳半径处的一道光线而言,偏转角(a)应等于
Δ′′=7.1α可以补充一句,按照理论,这个偏转的一半是由于太阳的牛顿引力场造成的;另一半是太阳导导致的空间几何形变(”变曲“)造成的。
这个结果可以在日全食时对恒星照象从实验上进行检验。我们之所以必须等待日全食的唯一原因是由于在所有其他的时间里大气受阳光强烈照射以致看不见位于太阳圆面附近的恒星。所预言的疚可以清楚地从图5中看到。如果没有太阳(S),一颗实际上可以视为位于无限远的恒星,由地球上观测,将在方向D1看到。但是由于来自恒星的光经过太阳时发生偏转,这颗恒星D2看到,亦即这颗恒星的视位置比它的真位置离太阳的中心更远一些。
在实践中检验这个问题是按照下述方法进行的。在日食时对太阳附近的恒星拍照。此外,当太阳位于天空的其他位置时,亦即在早几个月或晚几个月时,对这些恒星拍摄另一张照片。与标准照片比较,日食照片上恒星的位置应沿径向外移(离开太阳的中心),外移的量值对应于角a。
英国皇家学会和皇家天文学会对这个重要的推论进行了审查,我们深为感激。这两个学会没有被战争和战争所引起的物质上和精神上的种种困难所挫折,他们装备了两个远征观测队一个到巴西的索布拉尔(Sobral),一个到西非的比林西卑岛(principe)并派出了英国的几位最著名的天文学家[艾丁顿、柯庭汉(cottingham)、克罗姆林(crommelin)、戴维逊(Davidson)],拍摄了1919年5月29日的日食照片。预料到在日食期间拍摄的恒星照片与其他用作比较的照片之间的相对差异只有一毫米的百分之几。因此,为拍报照片所需的照片之间的相对差异只有一毫米的百分之几。因此,为拍摄照片所需的调准工作以及随后对这些照片的量度都需要有很高的准确度。
测量的结果十分圆满地证实了这个理论。观测所得和计算所得的恒星位置偏差(以秒计算)的直角分量有如下表所列:
第一坐标第二坐标恒星号码观测值计算值观测值计算值115436102-0.19+0.29+0.11+0.20+0.10-0.08+0.95-0.22+0.31+0.10+0.12+0.04+0.09+0.85+0.16-0.46+0.83+1.00+0.57+0.35-0.27+0.02-0.43+0.74+0.87+0.40+0.32-0.09(3)光谱线的红向移动在第23节中曾经表明,在一个相对于伽利略系K而转动的K‘系中,构造完全一样而且被认定为相对于转动的参考物体保持静止的钟,其走动的时率与其所在的位置有关。现在我们将要定量地研究这个相倚关系。放置于距圆盘中心r处的一个钟有一个相对于K的速度,这个速度由rvω=决定,其中ω表示圆盘K'
相对于K的转动角速度。设v0表示这个钟相对于K保持静止时,在单位时间内相对于K的滴嗒次数(这个钟的”时率“),那么当这个钟相对于K以速度v运动、但相对于圆盘保持静止时,这个钟的”时率“,如果我们以φ表示钟所在的位置和圆盘中心之间的离心力势差,亦即将单位质量从转动的圆盘上钟所在的位置移动到圆盘中心为克服离心力所需要作的功(取负值),那么我们就有首先我们从此式看到,两个构造完全一样的钟,如果它们的位置与圆盘中心的距离不一样,那么它们走动的时率也不一样。由一个随着圆盘转动的观察者来看,这个结果也是有效的。
现在从圆盘上去判断,圆盘系处在一个引力场中,而引力场的势为φ,因此,我们所得到的结果对于引力场是十分普遍地成立的。还有,我们可以将发出光谱线的一个原子当作一个钟,这样下述陈述即得以成立:
一个原子吸收的或发出的光的频率与该原子所处在的引力场的势有关。
位于一个天体表面上的原子的频率与处于自由空间中的(或位于一个比较小的天体的表面上的)同一元素的原子的频率相比要低一些。这里rMK?=φ
,其中K是牛顿引力常数,M是天体的质量,因此,在恒星表面上产生的光谱线与同一元素在地球表面上所产生的光谱线比较,应发生红向移动,移云贵的量值是
rMcKvvv?=?200对于太阳而言,理沦预计的红向移动约等于波长的百万分之二。对于恒星而言,不可能得出可靠的计算结果,因为质量M和半径r一般都是未知的。
此种效应是否存在还是一个未决问题,”目前(1920年)天文学家正在以很大的热情从事工作以求这个问题的解决。由于对于太阳而言此种效应很小,因而此种效应是否存在难以作出判断。格雷勃(Gtebe〕和巴合姆(Bachem)根据他们自己以及艾沃舍德(Evrershed)和史瓦兹希耳德(Schwarzschild)对氰光谱带的测量,认为此种效应的存在差下多已经没有疑问;而其他的研究人员,特别是圣约翰(St.John),根据他们的测量结果,得出了相反的意见。
对恒星进行的统计研究指出)光谱线朝向折射较小的一端的乎均位移肯定是存在的;但是,这些位移实际上是否由引力效应导致的,直到目前为止,根据对现有的数据的研究,还不能得出任何确定的结论。在艾·傅峦德里希(E.Freundlich)写的题为《广义相对论的验证》的一篇论文中[见柏林Julius
Springer出版的《自然科学》(ie
Naturwissenschaften)1919年第35期第520页],已将观测的结果收集在一起,并从我们这里所注意的问题的角度对这些结果进行了详尽的讨论。
无论如何在未来的几年中将会得出一个确定的结论。如果引力势导致的光谱线红向移动并不存在,那么广义相对论就不能成立。另一方面,如果光谱线的位移确实是引力势引起的:那么对于此种位移的研究将会为我们提供关于天体的质量的重要情报。
第18章 闵可夫斯基四维空间2