一百年前的這個星期,一次日全食短暫地遮住了太陽,使人類對宇宙有了新的認識。
1919年5月29日,英國科學家準備利用日食來檢驗一種革命性的引力新理論——廣義相對論——這一理論是尚未出名的阿爾伯特·愛因斯坦的構想。相對論現在被稱為「人類思想上最偉大的成就之一」,就像當年晚些時候獲得諾貝爾獎的物理學家j·j·湯普森(J.J. Thompson)所說的那樣。但是直到1919年日食之前,愛因斯坦1915年提出的相對論仍然沒有得到證實。
經過幾個月的準備,劍橋天文臺主任阿瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)在非洲西海岸外的普林西比島上架設瞭望遠鏡和攝影設備。另一位天文學家,皇家格林威治天文臺的安德魯·克倫梅林,在巴西索布拉爾鎮安裝了他的儀器。
天文學家們能否成功還完全不清楚。黴運阻礙了早期兩次對愛因斯坦理論的檢驗。1912年日食期間,天氣影響了測試;兩年後,第一次世界大戰的爆發使另一次試驗的計劃流產。但是1919年5月,戰爭結束了,天文學家們滿懷希望,他們終於能夠看到愛因斯坦是否正確。
空間、時間和重力的新概念
兩個多世紀以來,引力一直被視為艾薩克·牛頓所認為的物體間的引力。但是在1915年,愛因斯坦對引力提出了一個新的解釋,他沒有把引力描述為一種力,而是把它描述為由包括恆星和行星在內的大質量物體的存在引起的空間彎曲。
這有點難以想像,但愛因斯坦和他的同事們意識到,如果這個理論是正確的,它將產生一個簡單的、可測量的影響:重力會使光束的路徑發生微小的改變。
我們傾向於認為光是完全沒有重量的,但事實並非如此簡單。光是能量的一種形式,愛因斯坦在他1905年的著名方程E=mc2中指出,能量可以表現為質量。這個新的認識,加上愛因斯坦對彎曲空間的發現,意味著一束光應該彎曲——也就是說,沿著彎曲而不是筆直的路徑——以響應重力。
任何物體——保齡球、山、地球——都會使一束光彎曲。但是天文學家知道光的偏轉與引起偏轉的物體的質量成正比。為了測量微小的偏轉,他們需要非常巨大的物體——像我們的太陽。
想像一束光從一顆遙遠的恆星上疾馳而過,穿過太陽到達地球。當光線經過太陽時,太陽的引力會使光束的路徑發生彎曲,導致恆星的表面位置發生微小的改變。
位於費耶特維爾的阿肯色大學的天體物理學家和科學歷史學家丹尼爾·肯納菲克說:「愛因斯坦做了一個非常深刻的觀察——光應該受到引力的影響。」這意味著一束光會被一小部分偏轉,「我們應該能夠測量這種偏轉。」
做出這樣的測量是很棘手的。大多數時候,太陽是如此明亮,以至於不可能觀察到天空中靠近它的星星。但在日食期間的幾分鐘內,月亮遮住了太陽的光線,背景恆星可以被拍攝下來,它們的位置也可以被確定下來。
當然,日全食是很罕見的,每年只發生一次,而且只能在地球表面的狹長地帶看到。讓事情更加複雜的是,愛因斯坦的理論預測星光只會發生微小的移動——相當於從一英裡外看一枚鎳的寬度。當時的望遠鏡和照相板幾乎無法探測到如此小的移動。
「通過雲。有希望的。」
肯納菲克的新書《毫無疑問的陰影》講述了對愛因斯坦理論的這一關鍵檢驗。當時,組織一次日食探險至少花了一年的時間,沒有人知道戰爭會拖多久。1918年11月,也就是日食發生前6個月,埃迪頓和克倫梅林「幾乎要取消計劃,」肯納菲克說。「如果戰爭不是在一周後結束,他們可能已經放棄了。」
最後,天氣好壞參半。索夫拉爾的天空晴朗。但是普林西比被雲層所覆蓋,雲層消散的時間剛好夠愛丁頓的團隊在日食結束前拍攝幾張照片。
愛丁頓給他在倫敦的同事發了一封三個字的電報:「穿過雲層。有希望的。」
日食結束後,天文學家們返回家園,他們花了幾個月的時間來測量照片上可見恆星的精確位置。最後,他們得出結論,星光確實發生了位移——而且偏移的幅度與愛因斯坦的理論相一致。
1919年11月6日,英國皇家天文學家弗蘭克·戴森在倫敦舉行的皇家天文學會和皇家學會聯合會議上公布了這一結果。戴森說,「毫無疑問」,日食的測量結果「證實了愛因斯坦的預測」。
愛因斯坦成為名人
第二天,《倫敦時報》報導了這一消息,幾天後,《紐約時報》也報導了這一消息。儘管廣義相對論的複雜性令人撓頭,但對愛因斯坦理論的證實在全世界引起了數百萬人的共鳴。
肯納菲克說:「這是一個驚人的消息,牛頓的理論突然被推翻了,取而代之的是這個人(愛因斯坦)的理論,他們從來沒有聽說過。」據說,這個理論非常棒,幾乎沒有人能理解它。我認為,這對人們來說非常具有戲劇性。」
事實上,人們似乎抓住了這個理論,儘管——或者也許是因為——它的複雜性。
「廣義相對論是一個瘋狂的、新的、難以理解的理論的典型代表,它對現實的本質有著戲劇性的暗示,」加州理工學院的物理學家肖恩·卡羅爾說。「但你可以看到(結果);你可以拍下來。所以人們被這種興奮所吸引。」
多年來,歷史學家一直質疑1919年的測試結果是否得到了準確的報導。有些人認為,愛丁頓尤其急於證明愛因斯坦是正確的,以至於他清理了數據——或者甚至省略了似乎不合適的數據點。但是肯納菲克說,對1919年獲得的觀測數據的後續分析證實了最初的發現,而且愛因斯坦的理論確實通過了巨大的考驗。
在接下來的幾十年裡,相對論已經被證實了幾十次,而且精確度更高——它還導致了其他令人難以置信的奇蹟的發現,包括黑洞和引力波。