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在牛顿力学的年代，人们把光当作有质量的以光速飞行的微粒来对待，可以计算出一部分光线弯曲效应。在爱因斯坦建立广义相对论初期，他把光考虑为波，使用惠更斯原理计算出光线还应弯曲更多。现在我们可以直接计算球对称引力场中类光测地线方程的解，得出它就是弯曲的。18世纪是牛顿的理论（包括我们熟悉的F＝ma、万有引力平方反比律和光的微粒说）统治物理学界的时代。在牛顿力学里，力是改变物体运动状态的原因，地面上质量为m的物体会受到F＝mg的重力（g为重力加速度），受到力F的物体所响应的加速度为a＝F/m＝g，这么计算的话，会发现m被消掉了，即任何质量的物体在重力场中都会以相同的加速度下落（这便是“两个铁球同时落地”的故事所验证的规律，其背后更深层的原因是等效原理）。因此，在认为光是微粒的情况下，无论它的质量有多小，我们也能推出飞掠天体附近的光线会弯曲。只不过由于光速很快，地球上光受引力的偏移很难被人们察觉。  点击加载图片 光的粒子说＋牛顿理论以上就是18世纪英国物理学家卡文迪什和约翰·米歇尔对这个问题的认识（米歇尔是最早想到可能存在类似黑洞这样的天体的人之一）。当然，今天我们知道用牛顿理论描述这个问题存在很多错误，比如光被引力弯曲后会加速，而这是违背光速不变原理的。还有更严重的问题是，牛顿理论算出的光线弯曲程度比后来实验观测到的少了一半。1801年，托马斯·杨的双缝干涉实验让光的波动说重获生机。波动说对光的折射现象有一套叫做“惠更斯原理”的解释，大意是取光波波前上每一点向四周画出次波，次波的波前相连，如果波速有差异就会导致光的折射。  点击加载图片 光的波动说＋引力场钟慢爱因斯坦在早期推导光线弯曲问题时就使用了这个原理，此外还用到“引力场越强的地方钟走得越慢”效应，推导出对远处观察者看来靠近天体一侧的次波行进得慢（对于站在当地的人看来光速仍是不变的，没有违背光速不变原理），由此产生了光线弯曲，最终推导出约两倍于牛顿理论的弯曲程度来。为了在实验上检验孰对孰错，我们可以从地球上观察远方的星光被太阳的引力扭曲的情况，牛顿力学预测的偏转是0.83角秒，广义相对论预测的偏转是1.75角秒。但太阳周围的天空太亮了，在地面上无法观测，除非发生日食挡住太阳的光让星空显现出来。这样的实验于1919年由英国科学家爱丁顿的团队率先完成，尽管实验的精度差强人意，但结果能够显示更支持广义相对论的预测（一队1.98角秒，另一队1.61角秒，被爱丁顿以为有误差丢弃的一组是1.55角秒）。  点击加载图片 弯曲时空中的测地线再后来，更多的实验和应用证实了广义相对论的有效性，人们的世界观也因此被更新：没有神秘的、超距作用的万有引力，有的是被天体的质量压弯的时空舞台，计算这样弯曲的舞台中最“平稳”的路径（术语叫测地线）就可以直接得到符合实验观测的光线弯曲路线，无论光是粒子还是波，都会沿这样的路线运动。本文 |
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