廣義相對論可能是上世紀(jì)最富神奇色彩，卻又最命運(yùn)多舛的理論之一。它從誕生到被接受經(jīng)歷了曲折復(fù)雜的爭論、驗(yàn)證過程。現(xiàn)在少有人知的是，而從1912年開始，科學(xué)家們發(fā)起了一次次遠(yuǎn)征，到遙遠(yuǎn)的大陸去觀測日食，以驗(yàn)證愛因斯坦的理論，正是這一次次有關(guān)日食的遠(yuǎn)征使得幾十年來，關(guān)于廣義相對論的爭論終于塵埃落定。
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2009年，不僅7月22日的日全食令天文愛好者興奮萬分，在普林西比島，90年前的另一場日食也讓很多人為它舉行了一場慶祝典禮——1919年在這里發(fā)生的一次日食，不僅僅是一場日食，還見證了科學(xué)上的重要進(jìn)展——相對論被證實(shí)的那一刻。
愛因斯坦在伯爾尼的舊居，當(dāng)時(shí)他和妻子住在一樓，這里便是他思考醞釀相對論的地方。
戰(zhàn)爭夾縫中的科學(xué)探險(xiǎn)
1911年，愛因斯坦在《物理年鑒》上發(fā)表了題為《關(guān)于引力對光線傳播的影響》的論文，論文中預(yù)言：當(dāng)恒星的光非常接近太陽時(shí)，會(huì)因?yàn)樘柕囊Χa(chǎn)生小小的偏離，而這種光線的彎曲是可以測量的。
光線在通過強(qiáng)引力場附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，這是廣義相對論的重要預(yù)言之一，但在當(dāng)時(shí)卻因?yàn)檫^于深?yuàn)W而不被科學(xué)界所接受。但愛因斯坦同時(shí)還提出驗(yàn)證方法：在日全食時(shí)，太陽光線被遮蓋，可以通過測定此時(shí)星星的位置，并和平時(shí)星星的位置進(jìn)行比較，來驗(yàn)證這個(gè)預(yù)言。
盡管將信將疑，但天文學(xué)界馬上開展了一場驗(yàn)證的競賽。最先參與進(jìn)去的，是德國一個(gè)年輕天文學(xué)家弗羅因德里希（Erwin Freundlich）。
他本是柏林天文臺(tái)的工作人員，對天體物理學(xué)充滿熱情，但他的上司并不關(guān)注理論物理學(xué)的新進(jìn)展，只讓他負(fù)責(zé)繁瑣的星表編輯以及帶領(lǐng)人們參觀天文臺(tái)的工作。
1911年8月，一名德國物理學(xué)家里奧·波拉克（Leo W. Pollack）來柏林天文臺(tái)參觀。他帶來了弗羅因德里希天文學(xué)生涯的轉(zhuǎn)機(jī)——他告訴弗羅因德里希，一個(gè)名叫愛因斯坦的新人加入了他們研究所，最近發(fā)表了一篇論文，預(yù)測引力場可以使得光線彎曲。最重要的是，他還給出了驗(yàn)證方法。
弗羅因德里希對此很感興趣，因此波拉克催促年輕人趕快給愛因斯坦寫信，看看作為柏林天文臺(tái)的工作人員能不能做點(diǎn)什么。
弗羅因德里希很快給愛因斯坦寫了信，愛因斯坦回信說，希望他可以通過觀測來驗(yàn)證光線彎曲的預(yù)言。
19世紀(jì)正是天文攝影術(shù)開始廣泛的應(yīng)用之時(shí)，美國里克天文臺(tái)（Lick Observatory）臺(tái)長威廉·華萊士·坎貝爾（William Wallace Campbell）已率先將觀察重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)θ帐车挠^測和攝影上。在愛因斯坦的預(yù)言提出之前，他及其他天文學(xué)家就已經(jīng)進(jìn)行了多次日全食觀測，留下了不少日全食時(shí)拍下的星空照片。
佛羅因德里給坎貝爾等幾個(gè)天文學(xué)家寫了信，請他們寄來一些日全食時(shí)拍下的照片，但以往拍攝日食是使望遠(yuǎn)鏡一直瞄準(zhǔn)太陽，而不是瞄準(zhǔn)太陽附近的星星。因此很難通過以往日食期間拍到的照片來尋找恒星的光線偏折的證據(jù)。
1912年10月在南美洲北部有一次日全食，阿根廷科爾多瓦天文臺(tái)（Córdoba Observatory）準(zhǔn)備觀測恒星的光線偏折，但因?yàn)榘l(fā)生日食的那天剛好陰云密布，根本無法進(jìn)行拍攝和觀測，所以這個(gè)第一次觀測只有等到兩年后。
下一次觀測機(jī)會(huì)是1914年8月日全食，這次的日食帶很寬，從東歐的西北直到東南。佛羅因德里決定親自到日食現(xiàn)場去拍攝，但這個(gè)滿懷熱情的年輕人遇到了經(jīng)費(fèi)問題——他所在的柏林天文臺(tái)對此絲毫不感興趣，為了觀測順利進(jìn)行，他不得不到處募集資金，連愛因斯坦也用自己的影響來幫助他，最后還是美國里克天文臺(tái)的坎貝爾為他提供了一些經(jīng)費(fèi)，并派了一隊(duì)人馬和他同行。
預(yù)期日食發(fā)生在8月21日，德、美聯(lián)合日食觀測隊(duì)選擇靠近基輔的地方扎營。但科學(xué)家們沒有想到的是，1914年8月1日，德國向俄國宣戰(zhàn)，還沒有等到日食發(fā)生，俄國人就逮捕了佛羅因德里等德國天文學(xué)家，他們的目的是用這些科學(xué)家來換被俘的士兵。
雖然俄國允許美國天文學(xué)家留下來觀測日食，但是天公不作美，日食那天又是烏云密布。此后，里克天文臺(tái)的天文學(xué)家迅速退出俄國，連帶來的珍貴儀器都沒運(yùn)走。坎貝爾后來給另一位美國天文學(xué)家喬治·海耳（George Hale）的信中寫道，“我從來不知道，滿懷希望的天文學(xué)家們沒有觀察到日食，將會(huì)多么失望，他簡直想從后門鉆進(jìn)家中，別撞見任何人”。
一戰(zhàn)的陰云毀滅了弗羅因德里等人驗(yàn)證相對論的計(jì)劃，戰(zhàn)爭從1914年8月開始到1918年11月結(jié)束，歷時(shí)四年零三個(gè)月，這段時(shí)間歐洲沒有天文學(xué)家再去試圖觀測日食來證明愛因斯坦的理論。
當(dāng)歐洲的年輕人們在戰(zhàn)場上自相殘殺之時(shí)，愛因斯坦也正在和自己的思想“搏斗”——他完善了廣義相對論。1915年愛因斯坦的廣義相對論發(fā)表，他計(jì)算出星光在穿過太陽附近時(shí)所產(chǎn)生的偏折角度。有了具體的偏折角度數(shù)據(jù)，通過日食來驗(yàn)證相對論又前進(jìn)了一步，但是，因?yàn)閼?zhàn)爭仍然在繼續(xù)，觀測機(jī)會(huì)遙遙無期。
英國人加入競賽
在等待中，英國人加入了驗(yàn)證相對論的競賽。驗(yàn)證廣義相對論，是一場持續(xù)幾十年、前仆后繼的過程，英國人起步雖然晚，卻后來居上。
1915年，愛因斯坦出版了介紹了他的廣義相對論思想。這篇論文的影響本可能因?yàn)閼?zhàn)爭而被限制在德國，但愛因斯坦的兩位密友：洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz）和保羅埃倫費(fèi)斯特（Paul Ehrenfest）收到了論文，并且與荷蘭天文學(xué)家德西特（Willem de Sitter）分享。
德西特隨后將文章發(fā)給英國著名天文學(xué)家愛丁頓，亞瑟斯坦利愛丁頓（Arthur Stanley Eddington）23歲畢業(yè)于劍橋大學(xué)三一學(xué)院，1906年到格林威治天文臺(tái)工作，1913年任劍橋大學(xué)天文學(xué)教授，1914年后兼任該校天文臺(tái)臺(tái)長。
坎貝爾像
31歲就當(dāng)上劍橋大學(xué)天文臺(tái)長的愛丁頓認(rèn)為愛因斯坦的論文“美、優(yōu)雅、有力”，“這篇文章讓我數(shù)夜不眠”。
但在當(dāng)時(shí)英國反德情緒嚴(yán)重，無法發(fā)表一篇德文的報(bào)告，愛丁頓就讓德西特寫了一系列文章來介紹愛因斯坦的理論。這樣，在戰(zhàn)爭中最黑暗的時(shí)期，英國人也了解了愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)。
天文學(xué)家預(yù)測到1919年5月29日將有一次日全食，始于智利和秘魯?shù)慕尤捞?，越過南美，經(jīng)過大西洋，然后到非洲的中部。全食延續(xù)時(shí)間最長的地方是在大西洋中，離利比里亞海岸幾百公里的地方。
愛丁頓像
愛丁頓希望通過觀測1919年的日食來驗(yàn)證愛因斯坦的理論。但由于當(dāng)時(shí)英國和德國是交戰(zhàn)的雙方，英國人反德情緒分外激烈，而愛丁頓卻是位和平主義者，他因拒絕參戰(zhàn)而受到激烈攻擊，成為當(dāng)局監(jiān)視的對象。
因此由他縱然想出面申請1919年的日食觀測，也幾乎不可能獲準(zhǔn)通過。這時(shí)另一位科學(xué)家站出來了——英國格林威治天文臺(tái)的弗蘭克戴森（Frank Dyson）。
戴森也是一位著名的天文學(xué)家，1889年畢業(yè)于劍橋大學(xué)，終生在英國皇家天文臺(tái)工作（格林尼治和愛丁堡天文臺(tái)），參加過自1900年以來的多次日食觀測，觀測經(jīng)驗(yàn)十分豐富。他提出組織一個(gè)日食觀測隊(duì)觀測1919年5月日食，并且希望由愛丁頓來領(lǐng)導(dǎo)觀測隊(duì)，但是政府工作人員則不同意。戴森試圖用國家榮譽(yù)打動(dòng)他們：愛丁頓是唯一能夠證明是德國愛因斯坦還是英國人牛頓的理論正確之人。
聽聞此言，戰(zhàn)爭辦公室松了口，同意由戴森組隊(duì)，愛丁頓參加此次觀測。他們對愛丁頓發(fā)出通知，說不管他是否愿意，他必須參加戴森的日食觀測隊(duì)，這是對愛丁頓堅(jiān)持和平主義觀點(diǎn)的“懲罰”。
這樣的“懲罰”，愛丁頓自然欣然執(zhí)行。
愛丁頓和愛因斯坦歷史性的會(huì)面
1919年日食比賽
經(jīng)過討論后，英國派出兩支日食觀測隊(duì)，一支到南美洲巴西的索布拉，由戴森領(lǐng)隊(duì)；一支到非洲西岸的普林西比島，由愛丁頓領(lǐng)隊(duì)。兩個(gè)觀測隊(duì)各攜帶一臺(tái)33厘米口徑的天體照像儀，巴西觀測隊(duì)還多帶了一臺(tái)10厘米口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。
這時(shí)，曾于1914年去往俄國觀測日食，卻無功而返的坎貝爾得到風(fēng)聲，聽說英國人已經(jīng)開始行動(dòng)，他知道通過觀測日食驗(yàn)證相對論的比賽加入了強(qiáng)勁的對手。
在此之前，1918年6月美國有一次日食，給了美國天文學(xué)家一次得天獨(dú)厚的機(jī)會(huì)，但仍然因?yàn)槭芴炜詹紳M云彩，坎貝爾派去的觀測隊(duì)只獲得很少的照片，無法證實(shí)愛因斯坦的光線偏折之理論。
因此，當(dāng)1918年11月戰(zhàn)爭一結(jié)束，坎貝爾就催促里克天文臺(tái)的另一位科學(xué)家科蒂斯趕快準(zhǔn)備，也去參加這一觀測活動(dòng)。
雖然戰(zhàn)爭已經(jīng)在1918年11月結(jié)束，但一切都很混亂。在普林西比島活動(dòng)最好的時(shí)間是6月到9月，因?yàn)槠渌麜r(shí)間都十分悶熱。但觀測隊(duì)必須提前到達(dá)觀測點(diǎn)做各種準(zhǔn)備，因此愛丁頓觀測隊(duì)于1919年4月下旬就到達(dá)了普林西比島，在悶熱天氣、暴雨襲擊和蚊蟲叮咬下做準(zhǔn)備工作，等待5月19日下午2點(diǎn)15分開始的5分鐘日食。他們擔(dān)心的是：當(dāng)天會(huì)不會(huì)又像以前幾次那樣，烏云密布甚至寶玉傾盆呢？
在日食那天的早上，普林西比島還是風(fēng)雨交加，但到日食時(shí)卻風(fēng)住雨停，天氣變得很好，愛丁頓拍了多張照片，但僅有2張顯示出恒星的圖像。
而當(dāng)時(shí)巴西的索布拉天氣很好，戴森考察隊(duì)一共拍攝了26張底片，其中19張由格林尼治皇家天文臺(tái)的天體照相儀拍攝拍，這架專門用于天體照相的儀器所拍攝底片質(zhì)量卻較差，另一架4 英寸的小望遠(yuǎn)鏡拍攝了7 張底片倒是很清楚銳利，但是尺度更小。在理想情況下，相對論效應(yīng)僅導(dǎo)致在底片上1/60毫米的位移，只有恒星圖像直徑的1/4。因此照片尺度越小，進(jìn)行計(jì)算就越為困難。
“愛因斯坦是正確的”
經(jīng)過計(jì)算，索布拉觀測隊(duì)如果按照后7張底片計(jì)算，光線偏折值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于愛因斯坦的預(yù)言值。因此最后公布的值是所有26張底片的平均值，結(jié)果是1.98±0.12角秒；普林西比隊(duì)的結(jié)果是1.61±0.30角秒，都與愛因斯坦理論預(yù)估的1.75角秒不相同。
愛丁頓與戴森討論后，以加權(quán)方式定出光線偏折為1.64角秒的結(jié)論，與愛因斯坦的預(yù)言比較接近。1919年11月戴森在英國皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)上宣布：這次遠(yuǎn)征隊(duì)的觀測結(jié)果支持愛因斯坦的理論，還在皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊上發(fā)表了一份報(bào)告《1919年5月日全食觀測證實(shí)太陽引力場對光線的偏折作用》（“A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of May 29, 1919”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London）。
這一發(fā)現(xiàn)宣布之前幾天，洛倫茲就打電報(bào)給愛因斯坦說：“愛丁頓發(fā)現(xiàn)太陽邊緣的恒星位移。恭喜恭喜。洛倫茲?！睈垡蛩固沟弥螅杆俳o母親寫信報(bào)告英國日食觀測隊(duì)證實(shí)了他的理論，并說，“我從來沒有想過會(huì)是別的結(jié)果”。
在英國皇家天文學(xué)會(huì)宣布結(jié)果后，倫敦《泰晤士報(bào)》于11月7日發(fā)出頭版頭條新聞，以大大的黑體字寫道：“科學(xué)的革命：牛頓思想被推翻。”而《紐約時(shí)報(bào)》則以“光線在宇宙中彎曲”為標(biāo)題進(jìn)行了報(bào)道。
隨著媒體的廣泛報(bào)道，愛因斯坦迅速變成一名大眾科學(xué)偶像——關(guān)于宇宙的精妙的思想，竟然可以通過一次日食驗(yàn)證，這本身就充滿了神秘的魅力。從此他擁有了無數(shù)采訪者、仰慕者，當(dāng)然也有誹謗者。他接到無數(shù)演講邀請，一次演講就可以得到2000馬克。同時(shí)“相對論”成為了普通人中的熱門話題，在1917年到1922年之間，他的《狹義和廣義相對論淺談》至少出了14版，銷售65000冊之多，他因此得到的版稅超過25000馬克。他這幾年通過講座和出書等得到的收入超過了他在科學(xué)院和威廉皇帝研究所薪水的總和。
盡管英國的“權(quán)威”科學(xué)機(jī)構(gòu)英國皇家學(xué)會(huì)進(jìn)行聲明，但是科學(xué)界內(nèi)仍然有陣陣質(zhì)疑的聲浪，不少人懷疑愛丁頓和戴森發(fā)表的結(jié)果，甚至說日食觀測結(jié)果是“經(jīng)過愛丁頓烹調(diào)的”。為此，戴森還公開了原始底片的拷貝。
愛因斯坦得到1921年諾貝爾獎(jiǎng)。
余音
從現(xiàn)在看來，當(dāng)時(shí)的宣布是不無草率的，因?yàn)樵跈z驗(yàn)光線彎曲這樣一個(gè)復(fù)雜的觀測中，導(dǎo)致誤差的一個(gè)重要因素是溫度。溫度變化導(dǎo)致大氣擾動(dòng)的模型發(fā)生變化、望遠(yuǎn)鏡聚焦系統(tǒng)發(fā)生變化、照相底片的尺寸因熱脹冷縮而發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致系統(tǒng)誤差大大增加。
愛丁頓他們也認(rèn)識(shí)到了溫度變化對儀器精度的影響，他們在報(bào)告中說，小于10°F（5.5°C）的溫差是可以忽略的。但是索布拉夜晚溫度為75°F(23.8°C)，白天溫度為97°F(36.1°C)，晝夜溫差達(dá)22°F(12.2°C)。
后來研究人員考慮了溫度變化帶來的影響，重新測算了索布拉的底片，最大的光線偏折量可達(dá)2.16±0.14角秒，但是并未向外公布，先前證實(shí)愛因斯坦相對論的宣布仍然未被撤銷。
這次觀測結(jié)果被匆忙當(dāng)作相對論的驗(yàn)證，或許部分是因?yàn)槿藗儎倓傇趹?zhàn)爭的黑暗年代度過了4年，需要一點(diǎn)振奮人心的東西。此外還有對證明宇宙之神奇的渴望，以及由英國天文學(xué)家來證實(shí)德國人的理論，說明科學(xué)無國界的希望。而相對論的“神奇色彩”，以及愛因斯坦作為一個(gè)“夢想家”形象也對此推波助瀾。
但在英國科學(xué)家證明了愛因斯坦的相對論幾十年后，爭論仍然不斷。尤其是美國的科學(xué)家，在對愛因斯坦的廣義相對論持懷疑和反對的天文學(xué)家中，坎貝爾最有代表性。他是一位相信“觀測事實(shí)是判斷理論是否正確的”的科學(xué)家，盡管參加過多次以檢驗(yàn)愛因斯坦理論為目的的日食觀測，但他始終沒有找到“證據(jù)”。1919年，坎貝爾就曾在皇家天文學(xué)會(huì)上警告說，觀測數(shù)據(jù)有誤差，愛因斯坦理論可能不正確。
他的觀點(diǎn)在美國天文學(xué)家中很具有代表性，他們不承認(rèn)英國皇家天文臺(tái)的權(quán)威性，又沒有得到令人信服的觀測數(shù)據(jù)，于是他們對相對論又抗拒了十多年。盡管1921年2月17日，連《自然》雜志都發(fā)文，確立了廣義相對論的地位。
1922年，坎貝爾又一次為觀測日食來到澳大利亞，周密地準(zhǔn)備使觀測精度有了提高，他得到的結(jié)果是1.72±0.11角秒。這一的觀測結(jié)果證實(shí)了愛因斯坦理論的正確性，坎貝爾立刻承認(rèn)廣義相對論的科學(xué)性。爾后1929年、1936年、1947年和1952年日食時(shí)，各國天文學(xué)家都組織了檢驗(yàn)光線彎曲的觀測，到20世紀(jì)60年代初，天文學(xué)家開始確信太陽對星光有偏折，并認(rèn)為愛因斯坦預(yù)言的偏折量比牛頓力學(xué)所預(yù)言的更接近于觀測。歷時(shí)將近40年后，關(guān)于廣義相對論中光線偏折問題的爭論終于塵埃落定。
