1914-1919，有關(guān)相對(duì)論的天文遠(yuǎn)征
作者：
april·綠衣 昨天 09:10
閱讀原文廣義相對(duì)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(zhēng)論、驗(yàn)證過(guò)程。現(xiàn)在少有人知的是，而從1912年開(kāi)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(cè)日食，以驗(yàn)證愛(ài)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(lái)，關(guān)于廣義相對(duì)論的爭(zhēng)論終于塵埃落定。
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shea的細(xì)心閱讀和修改建議！
2009年，不僅7月22日的日全食令天文愛(ài)好者興奮萬(wàn)分，在普林西比島，90年前的另一場(chǎng)日食也讓很多人為它舉行了一場(chǎng)慶祝典禮——1919年在這里發(fā)生的一次日食，不僅僅是一場(chǎng)日食，還見(jiàn)證了科學(xué)上的重要進(jìn)展——相對(duì)論被證實(shí)的那一刻。
愛(ài)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(duì)論的地方。
戰(zhàn)爭(zhēng)夾縫中的科學(xué)探險(xiǎn)
1911年，愛(ài)因斯坦在《物理年鑒》上發(fā)表了題為《關(guān)于引力對(duì)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(yáng)時(shí)，會(huì)因?yàn)樘?yáng)的引力而產(chǎn)生小小的偏離，而這種光線的彎曲是可以測(cè)量的。
光線在通過(guò)強(qiáng)引力場(chǎng)附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，這是廣義相對(duì)論的重要預(yù)言之一，但在當(dāng)時(shí)卻因?yàn)檫^(guò)于深?yuàn)W而不被科學(xué)界所接受。但愛(ài)因斯坦同時(shí)還提出驗(yàn)證方法：在日全食時(shí)，太陽(yáng)光線被遮蓋，可以通過(guò)測(cè)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(lái)驗(yàn)證這個(gè)預(yù)言。
盡管將信將疑，但天文學(xué)界馬上開(kāi)展了一場(chǎng)驗(yàn)證的競(jìng)賽。最先參與進(jìn)去的，是德國(guó)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(duì)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(guó)物理學(xué)家里奧·波拉克（Leo W. Pollack）來(lái)柏林天文臺(tái)參觀。他帶來(lái)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(ài)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(cè)引力場(chǎng)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(duì)此很感興趣，因此波拉克催促年輕人趕快給愛(ài)因斯坦寫(xiě)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(ài)因斯坦寫(xiě)了信，愛(ài)因斯坦回信說(shuō)，希望他可以通過(guò)觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證光線彎曲的預(yù)言。
19世紀(jì)正是天文攝影術(shù)開(kāi)始廣泛的應(yīng)用之時(shí)，美國(guó)里克天文臺(tái)（Lick Observatory）臺(tái)長(zhǎng)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(cè)和攝影上。在愛(ài)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(cè)，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(xiě)了信，請(qǐng)他們寄來(lái)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(yáng)，而不是瞄準(zhǔn)太陽(yáng)附近的星星。因此很難通過(guò)以往日食期間拍到的照片來(lái)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(cè)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(wú)法進(jìn)行拍攝和觀測(cè)，所以這個(gè)第一次觀測(cè)只有等到兩年后。
下一次觀測(cè)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(chǎng)去拍攝，但這個(gè)滿懷熱情的年輕人遇到了經(jīng)費(fèi)問(wèn)題——他所在的柏林天文臺(tái)對(duì)此絲毫不感興趣，為了觀測(cè)順利進(jìn)行，他不得不到處募集資金，連愛(ài)因斯坦也用自己的影響來(lái)幫助他，最后還是美國(guó)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(cè)隊(duì)選擇靠近基輔的地方扎營(yíng)。但科學(xué)家們沒(méi)有想到的是，1914年8月1日，德國(guó)向俄國(guó)宣戰(zhàn)，還沒(méi)有等到日食發(fā)生，俄國(guó)人就逮捕了佛羅因德里等德國(guó)天文學(xué)家，他們的目的是用這些科學(xué)家來(lái)?yè)Q被俘的士兵。
雖然俄國(guó)允許美國(guó)天文學(xué)家留下來(lái)觀測(cè)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(guó)，連帶來(lái)的珍貴儀器都沒(méi)運(yùn)走?？藏悹柡髞?lái)給另一位美國(guó)天文學(xué)家喬治·海耳（George Hale）的信中寫(xiě)道，“我從來(lái)不知道，滿懷希望的天文學(xué)家們沒(méi)有觀察到日食，將會(huì)多么失望，他簡(jiǎn)直想從后門(mén)鉆進(jìn)家中，別撞見(jiàn)任何人”。
一戰(zhàn)的陰云毀滅了弗羅因德里等人驗(yàn)證相對(duì)論的計(jì)劃，戰(zhàn)爭(zhēng)從1914年8月開(kāi)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(méi)有天文學(xué)家再去試圖觀測(cè)日食來(lái)證明愛(ài)因斯坦的理論。
當(dāng)歐洲的年輕人們?cè)趹?zhàn)場(chǎng)上自相殘殺之時(shí)，愛(ài)因斯坦也正在和自己的思想“搏斗”——他完善了廣義相對(duì)論。1915年愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論發(fā)表，他計(jì)算出星光在穿過(guò)太陽(yáng)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(guò)日食來(lái)驗(yàn)證相對(duì)論又前進(jìn)了一步，但是，因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)仍然在繼續(xù)，觀測(cè)機(jī)會(huì)遙遙無(wú)期。
英國(guó)人加入競(jìng)賽
在等待中，英國(guó)人加入了驗(yàn)證相對(duì)論的競(jìng)賽。驗(yàn)證廣義相對(duì)論，是一場(chǎng)持續(xù)幾十年、前仆后繼的過(guò)程，英國(guó)人起步雖然晚，卻后來(lái)居上。
1915年，愛(ài)因斯坦出版了介紹了他的廣義相對(duì)論思想。這篇論文的影響本可能因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)而被限制在德國(guó)，但愛(ài)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(guó)著名天文學(xué)家愛(ài)丁頓，亞瑟斯坦利愛(ài)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(zhǎng)。
坎貝爾像
31歲就當(dāng)上劍橋大學(xué)天文臺(tái)長(zhǎng)的愛(ài)丁頓認(rèn)為愛(ài)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(guó)反德情緒嚴(yán)重，無(wú)法發(fā)表一篇德文的報(bào)告，愛(ài)丁頓就讓德西特寫(xiě)了一系列文章來(lái)介紹愛(ài)因斯坦的理論。這樣，在戰(zhàn)爭(zhēng)中最黑暗的時(shí)期，英國(guó)人也了解了愛(ài)因斯坦的發(fā)現(xiàn)。
天文學(xué)家預(yù)測(cè)到1919年5月29日將有一次日全食，始于智利和秘魯?shù)慕尤捞帲竭^(guò)南美，經(jīng)過(guò)大西洋，然后到非洲的中部。全食延續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的地方是在大西洋中，離利比里亞海岸幾百公里的地方。
愛(ài)丁頓像
愛(ài)丁頓希望通過(guò)觀測(cè)1919年的日食來(lái)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的理論。但由于當(dāng)時(shí)英國(guó)和德國(guó)是交戰(zhàn)的雙方，英國(guó)人反德情緒分外激烈，而愛(ài)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(duì)象。
因此由他縱然想出面申請(qǐng)1919年的日食觀測(cè)，也幾乎不可能獲準(zhǔn)通過(guò)。這時(shí)另一位科學(xué)家站出來(lái)了——英國(guó)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(guó)皇家天文臺(tái)工作（格林尼治和愛(ài)丁堡天文臺(tái)），參加過(guò)自1900年以來(lái)的多次日食觀測(cè)，觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)十分豐富。他提出組織一個(gè)日食觀測(cè)隊(duì)觀測(cè)1919年5月日食，并且希望由愛(ài)丁頓來(lái)領(lǐng)導(dǎo)觀測(cè)隊(duì)，但是政府工作人員則不同意。戴森試圖用國(guó)家榮譽(yù)打動(dòng)他們：愛(ài)丁頓是唯一能夠證明是德國(guó)愛(ài)因斯坦還是英國(guó)人牛頓的理論正確之人。
聽(tīng)聞此言，戰(zhàn)爭(zhēng)辦公室松了口，同意由戴森組隊(duì)，愛(ài)丁頓參加此次觀測(cè)。他們對(duì)愛(ài)丁頓發(fā)出通知，說(shuō)不管他是否愿意，他必須參加戴森的日食觀測(cè)隊(duì)，這是對(duì)愛(ài)丁頓堅(jiān)持和平主義觀點(diǎn)的“懲罰”。
這樣的“懲罰”，愛(ài)丁頓自然欣然執(zhí)行。
愛(ài)丁頓和愛(ài)因斯坦歷史性的會(huì)面
1919年日食比賽
經(jīng)過(guò)討論后，英國(guó)派出兩支日食觀測(cè)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(ài)丁頓領(lǐng)隊(duì)。兩個(gè)觀測(cè)隊(duì)各攜帶一臺(tái)33厘米口徑的天體照像儀，巴西觀測(cè)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(guó)觀測(cè)日食，卻無(wú)功而返的坎貝爾得到風(fēng)聲，聽(tīng)說(shuō)英國(guó)人已經(jīng)開(kāi)始行動(dòng)，他知道通過(guò)觀測(cè)日食驗(yàn)證相對(duì)論的比賽加入了強(qiáng)勁的對(duì)手。
在此之前，1918年6月美國(guó)有一次日食，給了美國(guó)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(cè)隊(duì)只獲得很少的照片，無(wú)法證實(shí)愛(ài)因斯坦的光線偏折之理論。
因此，當(dāng)1918年11月戰(zhàn)爭(zhēng)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(cè)活動(dòng)。
雖然戰(zhàn)爭(zhēng)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(cè)隊(duì)必須提前到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)做各種準(zhǔn)備，因此愛(ài)丁頓觀測(cè)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(chóng)叮咬下做準(zhǔn)備工作，等待5月19日下午2點(diǎn)15分開(kāi)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(ài)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(zhuān)門(mén)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(duì)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(ài)因斯坦是正確的”
經(jīng)過(guò)計(jì)算，索布拉觀測(cè)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(ài)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(ài)因斯坦理論預(yù)估的1.75角秒不相同。
愛(ài)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(ài)因斯坦的預(yù)言比較接近。1919年11月戴森在英國(guó)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(cè)結(jié)果支持愛(ài)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(cè)證實(shí)太陽(yáng)引力場(chǎng)對(duì)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(ài)因斯坦說(shuō)：“愛(ài)丁頓發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)邊緣的恒星位移。恭喜恭喜。洛倫茲。”愛(ài)因斯坦得知后，迅速給母親寫(xiě)信報(bào)告英國(guó)日食觀測(cè)隊(duì)證實(shí)了他的理論，并說(shuō)，“我從來(lái)沒(méi)有想過(guò)會(huì)是別的結(jié)果”。
在英國(guó)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(xiě)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(ài)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(guò)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(wú)數(shù)采訪者、仰慕者，當(dāng)然也有誹謗者。他接到無(wú)數(shù)演講邀請(qǐng)，一次演講就可以得到2000馬克。同時(shí)“相對(duì)論”成為了普通人中的熱門(mén)話題，在1917年到1922年之間，他的《狹義和廣義相對(duì)論淺談》至少出了14版，銷(xiāo)售65000冊(cè)之多，他因此得到的版稅超過(guò)25000馬克。他這幾年通過(guò)講座和出書(shū)等得到的收入超過(guò)了他在科學(xué)院和威廉皇帝研究所薪水的總和。
盡管英國(guó)的“權(quán)威”科學(xué)機(jī)構(gòu)英國(guó)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(ài)丁頓和戴森發(fā)表的結(jié)果，甚至說(shuō)日食觀測(cè)結(jié)果是“經(jīng)過(guò)愛(ài)丁頓烹調(diào)的”。為此，戴森還公開(kāi)了原始底片的拷貝。
愛(ài)因斯坦得到1921年諾貝爾獎(jiǎng)。
余音
從現(xiàn)在看來(lái)，當(dāng)時(shí)的宣布是不無(wú)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(cè)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(ài)丁頓他們也認(rèn)識(shí)到了溫度變化對(duì)儀器精度的影響，他們?cè)趫?bào)告中說(shuō)，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(lái)研究人員考慮了溫度變化帶來(lái)的影響，重新測(cè)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(ài)因斯坦相對(duì)論的宣布仍然未被撤銷(xiāo)。
這次觀測(cè)結(jié)果被匆忙當(dāng)作相對(duì)論的驗(yàn)證，或許部分是因?yàn)槿藗儎倓傇趹?zhàn)爭(zhēng)的黑暗年代度過(guò)了4年，需要一點(diǎn)振奮人心的東西。此外還有對(duì)證明宇宙之神奇的渴望，以及由英國(guó)天文學(xué)家來(lái)證實(shí)德國(guó)人的理論，說(shuō)明科學(xué)無(wú)國(guó)界的希望。而相對(duì)論的“神奇色彩”，以及愛(ài)因斯坦作為一個(gè)“夢(mèng)想家”形象也對(duì)此推波助瀾。
但在英國(guó)科學(xué)家證明了愛(ài)因斯坦的相對(duì)論幾十年后，爭(zhēng)論仍然不斷。尤其是美國(guó)的科學(xué)家，在對(duì)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論持懷疑和反對(duì)的天文學(xué)家中，坎貝爾最有代表性。他是一位相信“觀測(cè)事實(shí)是判斷理論是否正確的”的科學(xué)家，盡管參加過(guò)多次以檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦理論為目的的日食觀測(cè)，但他始終沒(méi)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(shuō)，觀測(cè)數(shù)據(jù)有誤差，愛(ài)因斯坦理論可能不正確。
他的觀點(diǎn)在美國(guó)天文學(xué)家中很具有代表性，他們不承認(rèn)英國(guó)皇家天文臺(tái)的權(quán)威性，又沒(méi)有得到令人信服的觀測(cè)數(shù)據(jù)，于是他們對(duì)相對(duì)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(duì)論的地位。
1922年，坎貝爾又一次為觀測(cè)日食來(lái)到澳大利亞，周密地準(zhǔn)備使觀測(cè)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(cè)結(jié)果證實(shí)了愛(ài)因斯坦理論的正確性，坎貝爾立刻承認(rèn)廣義相對(duì)論的科學(xué)性。爾后1929年、1936年、1947年和1952年日食時(shí)，各國(guó)天文學(xué)家都組織了檢驗(yàn)光線彎曲的觀測(cè)，到20世紀(jì)60年代初，天文學(xué)家開(kāi)始確信太陽(yáng)對(duì)星光有偏折，并認(rèn)為愛(ài)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(cè)。歷時(shí)將近40年后，關(guān)于廣義相對(duì)論中光線偏折問(wèn)題的爭(zhēng)論終于塵埃落定。
