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撰文 赫尔穆特·霍尔农（Helmut Hornung） 翻译 牛天宇 审校 胡家僖 阁楼里的领导者：1917年10月，在爱因斯坦的领导下，威廉皇帝物理研究所正式在柏林开始了工作——然而该研究所的工作地点不在宽敞的大楼里，而在爱因斯坦自己的公寓里。爱因斯坦领导着这个非比寻常的研究所度过了5年时光。图片来源：S.Tamaru / MPG-Archiv 1919年5月29日，加勒比海上的一片阴影正创造着历史。当新月完全遮挡住太阳的时候，物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）所带领的一群天文学家正忙着测量被遮挡住的太阳旁显现出星光的比之前偏移了多少。最终的观测结果与4年前阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论中的预言精确吻合，作为“科学界的革命”登上了当年11月的《泰晤士报》的头条。何以这个观测结果如此激动人心？当时世界的这个新科学观点到底是如何被证明的呢？ 故事或许先要从1915年11月25日说起。当时爱因斯坦刚刚发表了一篇只有3页的论文，标志着一个崭新的理论建构完成。在新的理论，即广义相对论中，他重新审视了重力的作用。在他十年前提出的狭义相对论中，这个年仅26岁的物理学家就已经发现物体长度和某项事件持续时间的长短并不是绝对的，它取决于观察者与物体或事件之间相对运动的速度，除此之外，他还预言了质量和能量二者可以相互转化的关系。 狭义相对论只适用于匀速运动的系统。在广义相对论中，爱因斯坦把他的想法扩展到了包括加速运动和引力在内的系统。他将时间和空间结合为一个四维弯曲的时空（spacetime），并得出引力决定时空的几何形状这一结论。我们通过一个例子来阐明广义相对论中最重要的部分：想象我们有一块并不牢固的垫子，如果在上面放一个保龄球，垫子显然会深深地陷下去。这时如果有一个玻璃球从远处以一定的速度滚过来，当经过保龄球附近时，因为垫子的凹陷，它就不再笔直地朝着它前进的方向滚动，而在压缩的边角处做曲线运动。如果玻璃球速度不够，它就会一直留在由保龄球创造的“井”中。 现在我们将实验地点移到宇宙中，垫子便是时空，保龄球是太阳，而玻璃球就是行星。根据爱因斯坦的理论，并不是行星“被太阳吸引”，而是太阳的巨大质量使得时空出现了凹陷，导致行星做曲线运动。爱因斯坦在很早的时候就意识到了这种现象不仅只在行星和大尺度天体运动上有所表现，光的运动也会受到引力的影响而发生弯曲。然而爱因斯坦绝非第一个探索大质量天体是如何影响光路的人。早在1783年英国牧师约翰·米切尔（John Mitchell）就根据牛顿的光粒学说（宣称光由细小的微粒组成），提出光也会受到引力的影响而不一直沿直线传播。米切尔甚至更进一步描述了这样一种天体，它的质量之大会让本身发出的光落回到星球表面。这位自然哲学家口中的“大家伙”便是我们现今称之为黑洞的原型。到了18世纪末，在没有看到米切尔的工作的情况下，法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）也独立地描绘了这样一种引力极强、即使光也不能逃脱的天体。拉普拉斯经过计算得出，如果我们的太阳在保有现今质量的前提下压缩成直径只有6km，也会变成这种天体。 弯曲的光路：像太阳这样大质量的天体会使从遥远恒星发出并经过附近的光发生偏转，在地球上的观察者会因此以为其观察到的星在另外一个不同的位置。这种偏差极其微小，但是可以在日食时观测到。图片来源：Horst Frank 最终在1801年，后来成为了慕尼黑天文台负责人的约翰·格奥尔格·冯·索尔德纳（Johann Georg von Soldner）发表了名为“光从大天体旁经过会受其吸引而偏离直线传播”的文章。他计算出了当遥远星体发出的光靠近太阳时的偏移导致星体表观位置发生的改变，为0.875角秒，大概相当于从5公里外看一欧元硬币的宽度。 然而爱因斯坦不知道慕尼黑天文学家的研究。他在1911年也一直在研究光因太阳发生偏移的问题，最终他的计算结果为0.83角秒，与索尔德纳发现的数值非常相近。而后他便提议用事实检验自己的理论，即在日全食之日通过测量光的表观偏离角度来验证。 离当时最近的一次日食于1912年发生在巴西，但是因为天气原因整个计划都泡汤了。1914年8月21日的日食在俄罗斯出现，但因为一战的爆发，由埃尔温·弗罗因德利希（Erwin Freundlich）领导的德国远征队被俄国人当作敌人而被逮捕拘留，威廉·坎贝尔（William Campbell）带领的美国远征队则逃过一劫，但因为基辅的天空乌云密布，所以也没能进行有效的观测。因此，这些测量都无果而终，当然不会让爱因斯坦感到满意。在之后的几年里，爱因斯坦进一步展开对广义相对论的研究，并发现了上文提到的引力与时空的关系，这就意味着需要对之前的计算结果进行修正。简单来说就是将偏差的值加倍，增至1.75角秒。他在1916年5月发表于《物理年鉴》（Annalen der Physik）的“广义相对论基础”一文中发布了这一结果。 于是科学家们就一直在等待验证预言的下一次机会，如果观测结果与理论预测相符，就意味着新理论出色地通过了第一次检验。1919年5月29日，机会来了。天文学家们认为西属几内亚的普林西比岛（Island of Principe）和巴西北部的索布拉尔（Sobral）便是此次观测的最佳地点。值得注意的是，带领两支远征队去验证一名德国教授的理论的，竟是两名英国物理学家，要知道当时世界仍处于一战的硝烟弥漫中。1917年，爱因斯坦成为了最初由马克斯·普朗克建立的威廉皇帝物理研究所（Kaiser Wilhelm Institute for Physics）的负责人，尽管他工作的地点一直在自己柏林家中的阁楼上。但好景不长，仅仅5年后，爱因斯坦就受到了来自德国纳粹的死亡威胁，并于1922年10月离开了德国，将该研究所的领导权交给了物理学家马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）。 在日全食发生的6个月前，天文学家们就将镜头对准了日食将要发生时太阳所处天空的位置。事实证明，他们的运气还不错，因为日食发生时在太阳在天空中的位置正好处于由很亮的恒星组成的毕星团（Hyades）附近，其中单个的恒星在太阳附近可以清晰地辨认出来，但科学家仍旧面临着一个艰巨的任务：计算所得的1.75角秒只适用于那些在位置上紧靠太阳的恒星，在两倍于太阳半径的位置，角度偏差就会减至0.6角秒。要知道，对于普林西比的远征队所使用的望远镜及摄影设备来说，1角秒在底片上只有0.026mm，除此之外大气的折射和扰动都会对观测的精度造成影响。 1919年3月8日，两支远征队从英国出发，分别驶向普林西比和索布拉尔。时任英国皇家天文学会会长的著名科学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）带领去往普林西比的科考队并同时负责领导协调两支队伍。日食当天，他们在一片椰子林中扎营，但天公不作美，从早晨到中午当地一直下雨，只在日食发生时，云层才散开了几秒钟。他们抓紧时间拍摄了16张照片，但最后只有两张能用。而由安德鲁·克罗姆林（Andrew Crommelin）带领的队伍就幸运很多，他们成功拍摄到了8张合适的照片。 回到英国后，爱丁顿就开始分析照片，并在同年9月于伯恩茅斯举办的一场学术会议的开始公布了他们的初步结果。11月6日，克罗姆林在英国皇家学会及皇家天文学会联合会议上发表了最终结果：其中一台望远镜观察到的光线偏移为1.98±0.18角秒，另一台为1.60±0.31角秒。 结果发布之后，对数据精确度的质疑之声比比皆是。在1979年，英国皇家格林尼治天文台对爱丁顿的底片重新进行了测量，最终结果为1.90±0.11角秒。至此，广义相对论的第一次考验可以说是圆满成功。 黑色太阳：1919年5月29日，新月遮盖了整个太阳。天文学家拍下了阴影在太阳上移动的照片。这张历史性的照片清晰地显示了太阳外的日冕气体层。 1919年11月7月，伦敦《泰晤士报》发表了一篇题为“科学革命：新的宇宙理论推翻了牛顿的观点”的文章。《纽约时报》也在11月10日的头版写到“天之光倾斜”。相较于兴奋过度的外国报社，德国本地的媒体对于此事则缄口不言。直到1919年12月14日，《柏林画报》周刊的封面才刊登了爱因斯坦的照片，并配上这样的标题：“世界历史上的新伟人：阿尔伯特·爱因斯坦，他的研究完全颠覆了我们看待世界的方式，他的发现堪与哥白尼、开普勒、牛顿比肩。” 一个物理学家突然一夜成名，各种各样的追捧也接踵而至，这着实烦透了爱因斯坦。据说他梦见一名像恶魔一样的邮递员，他不管你手头有多少信件还没有打发完，源源不断给你送来一批又一批。他写信向他的同事马克斯·波恩（Max Born）抱怨说：“赶快让我做点合适的工作吧，在这实在是可怕得让人窒息。” 转载请联系newmedia@huanqiukexue.com， 给杂志社打电话也行。 《环球科学》2015年10月特刊“爱因斯坦世纪”即将上市，点击阅读原文可至微店购买。 |
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