100年前那場日食證明了相對論

2020-12-05 蝌蚪五線譜

4月10日，「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope, EHT）項目全球同步發布黑洞的首張照片。令科學家們感到激動萬分的不僅僅是人類首次目睹了黑洞的真容，還因為照片再次證明愛因斯坦的廣義相對論又雙叒正確了！巧合的是，距離現在整整100年，廣義相對論也是靠著一次天文觀測才名揚天下。

1919年5月29日，清晨，一場傾盆大雨洗去了幾內亞灣彎曲處的普林西比島上的炎熱。普林西比島位於非洲西岸，樹木茂盛、風景迷人，但是氣候惡劣。一家現代旅行社對它的描述是，「最好在6-9月登島，其他時候你將在雨中和自己的汗水中遊泳」。

但此時正在島上的一群英國科學家們卻無暇為降雨帶來的涼爽而欣喜，他們守在一個龐然大物——33毫米孔徑的格林威治天文望遠鏡旁焦灼不安。他們帶著這個大傢伙離開家園長途跋涉，穿過仍籠罩在一戰帶來的硝煙的戰亂地區，來到這種悶熱潮溼的小島，足足忍受了一個月蚊蟲、高溫、暴雨的襲擾，等的就是這天。確切地說，應該說是這天中午2點15分即將在這座小島上空發生的日全食。時間在一分一秒逼近，可是這時島上還下著暴雨！

但是他們之中一個人卻表現得異常鎮定，他就是英國天文學家、物理學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓。他是這支觀測隊的領隊，也是整個日食觀測計劃的策劃者。他堅信這次觀測活動將會取得成功，正如他堅定地相信日全食將證明愛因斯坦的廣義相對論是正確的一樣。

1915年，一次世界大戰期間，愛因斯坦從牛頓的萬有引力定律孤立地看待時間和空間的局限中跳脫出來，認為時間和空間在宇宙中共同組成一張大網，提出了廣義相對論。

在那個時代宣稱牛頓錯了，無異於向擁有基督信仰的人宣稱上帝死了。沒有可靠的科學實驗論證，科學界不會接受這一理論。當時愛因斯坦想出三種天文學觀測方法可以證明廣義相對論效應：水星的近日點進動、原子光譜的紅移效應和光的偏折。但是由於前兩項實驗存在不確定性因素多和實驗難度大的缺點，驗證廣義相對論成敗的關鍵落在了光的偏折身上。

根據廣義相對論，大質量天體造成了時空扭曲，光線經過大質量天體時會發生彎曲。愛因斯坦經過計算得出經過太陽附近的星光會發生1.75弧秒的偏折，這一數據與通過萬有引力定律計算出的數據相差了一倍，如果能證明這一計算就能有力證明廣義相對論是正確的！但是太陽的光線太過耀眼，要想能觀測到經過太陽的星光，只能耐心等待太陽的光芒被遮蔽的時刻——日全食的出現。

愛丁頓還記得第一次讀到廣義相對論時感受到的震撼。牛頓萬有引力定律問世以來，一直被科學家們視為真理，但是不容忽視的誤差卻又一直存在。牛頓錯了嗎？他萬萬不敢想像。直到廣義相對論的出現，仿佛在他眼前開啟了新的宇宙。

他認識到驗證光線引力偏折對證實相對論的重要性，於是極力促成英國皇家天文學家弗蘭克·戴森策劃了此次日食觀測計劃。為了今天，他們從一年前就開始計劃。這次日食將發生在赤道附近，穿越南美洲、大西洋、非洲中部一帶。為了確保萬無一失，他們兵分兩路，此時，他的戰友正在南美洲巴西的索貝瑞爾和他一同等候日食那一刻的來臨。也許這裡的觀測行動會失敗，但是真理一定會被證明！

「我們必須憑藉信仰執行拍攝計劃。」後來他在日記裡這麼寫道。

「雨好像變小了！」不知道誰喊了這麼一句，雨勢確實正在漸漸減弱，現在時間指向中午12點。

「最後檢查一遍照相底板」，愛丁頓一邊向隨行助手發出指令，一邊繼續觀測天氣變化。雖然雨勢漸弱，但是厚厚的雲層還是圍繞在太陽左右，這勢必會影響觀測，但是愛丁頓還是堅定地做著最後的一切準備。

1點30分，情況似乎好轉了，雲層逐漸消散，已經可以看見太陽的身影；

1點55分，晴空的範圍擴大，甚至可以瞥見空中的新月；

2點15分，日食終於開始了！

雖然天空中仍有雲，肉眼已經可以清楚看到日食的景象。但是愛丁頓無暇觀賞這一獨特的天文現象，在日食長達5分鐘的時間裡他忙著一片又一片地更換照片底板，爭取拍下儘可能多的照片。最後他們一共拍下了16張照片。

愛丁頓給遠在南美洲的戴森發去了電報，「透過雲，有希望。」

隨後的六天時間裡，愛丁頓又留在島上拍下了大量星空的照片，以便與日食發生時恆星的位置進行比較。

7月，兩個觀測隊終於在英國會師。愛丁頓的觀測隊共拍攝到16張照片，可惜受到雲層的影響，只有2張能用，戴森帶領的觀測隊共拍到27張照片，其中8張能用。通過對這些照片的分析，愛丁頓和戴森共同提出1.64弧秒的整體測量值，這與愛因斯坦的計算結果極為接近。他們不僅公開了自己的測量結果，而且把所有照片的原始版本也公之於眾，以供懷疑的人檢驗。

這一結果公布後，科學界廣泛接受了愛因斯坦的廣義相對論。英國《泰晤士報》發表整版新聞《科學革命——牛頓的思想被推翻》，廣義相對論的宇宙觀從此深入人心。

參考資料：

1. 《Judging Einstein》 J. Donald Fernie American Scientist 93 (2005): 104.

2. Stanley, M. 2003. An expedition to heal the wounds of war: The 1919 eclipse and Eddington as Quaker adventurer. Isis 94:57-89.

作者：張皓

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