第十一章 光在太阳旁的偏折不证明弯曲空间 曾云海 摘要:爱因斯坦创立狭义相对论多年,仍然是争议不断,他于1911年又提出了广义相对论。按广义相对论弯曲空间的方程计算,光线经过太阳表面附近应当偏转1.75″。在1919年日食时,爱丁顿的观察结果与爱因斯坦的计算结果相符,因此相对论名声大振。当时,爱因斯坦9岁的儿子问:“爸爸,你到底为什么这样出名?”爱因斯坦笑了起来回答:“你看见没有,当瞎眼的甲虫沿着球面爬行的时候,它没发现它爬过的路径是弯曲的,而我有幸地发现了这一点。” 也许当时爱因斯坦还不知道太阳有大气层,如果知道太阳有大气层,是不应当忽略大气层的折射的。 1 光线在太阳旁偏折的观测结果 在牛顿引力理论的框架内,光线经过太阳表面,由于受太阳引力的影响,传播方向会产生偏折(前提是,必须假定光子有质量),其偏转角 θ=2GM /(cc)R 。 (1) 将太阳质量M1.989×1030千克、半径R6.9599×108米等数据代入,得 θ=0.87″。 在广义相对论中,太阳作为一个引力中心,使周围空间发生弯曲,空时度规如下式 g00=1+(2GM) /(cc)r gn=1+(2GM) /(cc)r 这样算出来的光的偏转角为 θ=4GM /( cc)R=1.75″ (2) 1919年5月29日爱丁顿率领的考察队在日食时进行了观测,观测结果与爱因斯坦的弯曲空间的计算值相符。 后来,人们又进行了多次测量,观测值从1.57″到2.73″不等。 2 光线穿过地球大气层的折射 光线从一种媒质进入另外一种媒质的折射现象,人们早已总结出了折射定律 n=sin i/sin y , 不仅是不同的媒质的折射率n不同,即使是同一种媒质、也会因为它的物质浓密度不同而相对折射率n不同。地球大气的密度随高度递减,如果将大气分成许多薄层,每一薄层与相邻薄层的大气密度是有微小差别的,因而折射率n也就有微小差别,光线穿过这些折射率不同的薄气层时,就会在薄气层间的分界面上产生折射。实际上地球大气的密度随高度递减并非分层突变、而是连续变化的,因此光线穿过大气层的不是折射状、而是曲线形式。 当光线进入大气层而向低空深入的过程中,它是从折射率较小(空气密度较小)的媒质向折射率较大的媒质入射,折射线偏向法线,即向地面弯曲。如果这折射的光线并未射向地面、而是掠过地面穿出地球大气层,那么它掠过地面后,是从折射率较大的媒质层向折射率较小的媒质层入射,折射线是偏离法线的。因法线的对应方向与前者相反,光线与此前的弯曲方向相同、还是向地面弯曲。假如光线掠过地面处看到光线偏折了1′、且前后的大气条件相同,则穿出地球大气后将偏折2′。 如果按爱因斯坦弯曲空间方程计算,光线经过地球旁能偏折多少呢?我们将地球质量5.976×1024千克和地球平均半径6.371×106米代入上面的(2)式,则光线经过地球表面附近只会偏折0.00057″。而实际上,光线经过地球表面附近是偏折若干分的,而且,偏折角是因时、因地的大气条件的变化而变化的,谁敢说光线在地球旁的弯曲、是爱因斯坦引力弯曲空间方程的结果、而不是地球大气的折射的结果呢。 3 光线在太阳旁的偏折不能无视太阳大气折射的因素 太阳系的行星(除水星尚未探明外)都有大气层,体量大的卫星也有大气层,而且都有一个共同规律,内层的密度大、由内至外密度递减。 当今已经公认所有恒星都有大气层,太阳有大气层是不争的事实。虽然太阳光球以外的大气层密度很小,但相对“真空”的绝对折射率是肯定存在的。 另一个关键的问题是:爱因斯坦方程的计算结果1.75″是按太阳的半径和太阳的质量计算的结果,应当是个严格的常数(就如地球引力场的重力加速度是不变的常数一样),而观测结果有从1.57″到2.73″的变化,相差1.16″之多。地球大气的折射因时、因地而变化却是寻常的(有时能看到海市蜃楼、有时能看到日月在地平线的变形等等)。只有认为偏折是太阳大气层的折射的结果,则可能是由于太阳大气的温度变化和涡流等因素、造成折射的变化,才能解释有1.57″到2.73″的变幅。 4 用引力透镜的观点去探索宇宙的奥秘是错误的探索方向 爱因斯坦无视太阳大气层的折射、用他的广义相对论弯曲时空方程解释了光线在太阳旁的偏折后,为了巩固他们的成果提出了引力透镜的命题。 爱因斯坦(1936年)说:引力透镜与光学透镜不同的是,“光学透镜对离光轴愈远的光线偏转愈大(聚焦),而引力透镜使光线偏转的情形正好相反,是愈远离天体表面、偏折愈小,所以入射光在天体后面形成散焦”。 爱丁顿(为了证明爱因斯坦方程去观测光线在太阳旁偏折的那个人)说:“引力场会聚光线成像可以作为验证广义相对论正确的证据”。 爱因斯坦指出:“球对称引力场的引力透镜一般成双像,理想对准时成一光环,只要观察到了这种天文现象、就可以验证他的广义相对论正确”。他这是在设置一道悬念,在浩瀚的宇宙中,人们去寻找他所预言的那种现象谈何容易。 然而,爱因斯坦出了这样的难题,就引导了很多人去解这道难题,1979年韦尔什等人发现,类星体Q0957+561AB是由两个靠得非常近的、极其相似的类星体组成,认为是按爱因斯坦的预言由一个类星体所形成的双像,估计在Q0957+561AB和我们之间存在一个暗星系——这是由错误的理论导出了错误的结论! 我们知道:不是惟有爱因斯坦的“引力透镜”才形成散焦,平面光波通过所有星球的大气层都将形成散焦的结果,因为所有天体的大气层都像地球大气层这样,内层的密度比外层的密度大,所以,平面光波透过星球大气层或星际云团时也是透过内层的偏折大、透过外层的偏折小,在天体大气层背面适当的距离会形成散焦的——平面光波通过地球大气层或木星大气层,在地球后面的适当距离或木星后面的适当距离形成散焦比太阳后面的适当距离形成的散焦更明显,形成散焦是否明显并不在于天体质量所构成引力场的大小。 我们可以设想:在Q0957+561AB和我们之间存在一个星际云团,或者存在一个具有浓厚大气层的行星之类的天体,就可以很好的解释爱因斯坦所预言的那些天文现象了。 |