2013年3月1日

愛因斯坦的望遠鏡

作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

天文望遠鏡可分為折射和反射望遠鏡,1609年,伽利略從荷蘭聽到望遠鏡的新技術,自行製造出折射望遠鏡。1668年,牛頓用凹面鏡聚焦,設計出反射望遠鏡,解決透鏡的色差問題。還有一種望遠鏡不用透鏡和反射鏡,也能搜尋宇宙天體,這個望遠鏡和愛因斯坦有關。

愛因斯坦沒有發明或製造望遠鏡,但根據廣義相對論,我們利用時空的扭曲,達到望遠鏡的功能,觀測幾十億光年遠的天體。說穿了,愛因斯坦的望遠鏡是利用萬有引力,觀察非常遙遠的星體,甚至可以「看到」沒有電磁波的暗物質,堪稱為引力望遠鏡。

引力望遠鏡之所以能「看到」暗物質,是因為所使用的原理不同。以折射望遠鏡為例,遠方的星光從物鏡進入望遠鏡鏡筒,星光經過不同的介質(主要是空氣和玻璃透鏡),有光線偏折的現象,最後將星光聚焦成像。引力望遠鏡則是因為星體的質量改變周遭空間的曲率,使得星光因而偏折扭曲,甚至重影。

質量改變空間曲率的理論來自廣義相對論,但理論的建立並不那麼順利。愛因斯坦在1907年發表廣義相對論的第一篇論文,最終版本是在1915年11年定稿。在這期間,愛因斯坦發表過一些相關論文,也不斷在更新版中證明之前的錯誤。即便如此,他的運氣還算不錯,並沒有被人抓到包。1914年8月,德國天文學家歐文(Erwin Freundlich)帶隊到俄國克里米亞半島觀測當地的日食,希望看到太陽周圍的扭曲空間改變背景星光路徑,藉以證明廣義相對論。

1911年愛因斯坦根據舊版本預測背景星光的偏移量(2GM⊙/c2R⊙,M⊙和R⊙分別是太陽的質量和半徑,G是引力常數,c是光速),其實早在1801年,德國物理學家索德納(Johann Von Soldner)根據牛頓萬有引力定律就算出相同的偏移量(0.84秒弧,1秒弧等於角度1度的3600分之一),如果歐文的日食觀測順利,會發現與愛因斯坦的預測不符。既是幸運(對愛因斯坦),也是不幸(對歐文),當歐文進入俄國的時候,第一次世界大戰爆發,他們被俄國士兵抓了起來,失去了抓包的機會。愛因斯坦在1915年11月15日釋出的廣義相對論終極版,算出來的星光偏移量是原先的兩倍(4GMc2R⊙)。1919年英國物理學家愛丁頓(Arthur Stanley Eddington)率領觀測團隊到西非普林塞小島,得到了他自稱「我一生最快樂時刻」的結果:星光偏移量與終結版廣義相對論的預測相符。【更詳細的內容,請參閱第519期科學月刊】

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