便宜太阳镜:光的弯曲

1914-1919，有关相对论的天文远征
作者：april·绿衣  昨天 09:10阅读原文
广义相对论可能是上世纪最富神奇色彩，却又最命运多舛的理论之一。它从诞生到被接受经历了曲折复杂的争论、验证过程。现在少有人知的是，而从1912年开始，科学家们发起了一次次远征，到遥远的大陆去观测日食，以验证爱因斯坦的理论，正是这一次次有关日食的远征使得几十年来，关于广义相对论的争论终于尘埃落定。
PS：感谢shea的细心阅读和修改建议！
2009年，不仅7月22日的日全食令天文爱好者兴奋万分，在普林西比岛，90年前的另一场日食也让很多人为它举行了一场庆祝典礼——1919年在这里发生的一次日食，不仅仅是一场日食，还见证了科学上的重要进展——相对论被证实的那一刻。
爱因斯坦在伯尔尼的旧居，当时他和妻子住在一楼，这里便是他思考酝酿相对论的地方。
战争夹缝中的科学探险
1911年，爱因斯坦在《物理年鉴》上发表了题为《关于引力对光线传播的影响》的论文，论文中预言：当恒星的光非常接近太阳时，会因为太阳的引力而产生小小的偏离，而这种光线的弯曲是可以测量的。
光线在通过强引力场附近时会发生弯曲，这是广义相对论的重要预言之一，但在当时却因为过于深奥而不被科学界所接受。但爱因斯坦同时还提出验证方法：在日全食时，太阳光线被遮盖，可以通过测定此时星星的位置，并和平时星星的位置进行比较，来验证这个预言。
尽管将信将疑，但天文学界马上开展了一场验证的竞赛。最先参与进去的，是德国一个年轻天文学家弗罗因德里希（Erwin Freundlich）。
他本是柏林天文台的工作人员，对天体物理学充满热情，但他的上司并不关注理论物理学的新进展，只让他负责繁琐的星表编辑以及带领人们参观天文台的工作。
1911年8月，一名德国物理学家里奥·波拉克（Leo W. Pollack）来柏林天文台参观。他带来了弗罗因德里希天文学生涯的转机——他告诉弗罗因德里希，一个名叫爱因斯坦的新人加入了他们研究所，最近发表了一篇论文，预测引力场可以使得光线弯曲。最重要的是，他还给出了验证方法。
弗罗因德里希对此很感兴趣，因此波拉克催促年轻人赶快给爱因斯坦写信，看看作为柏林天文台的工作人员能不能做点什么。
弗罗因德里希很快给爱因斯坦写了信，爱因斯坦回信说，希望他可以通过观测来验证光线弯曲的预言。
19世纪正是天文摄影术开始广泛的应用之时，美国里克天文台（Lick Observatory）台长威廉·华莱士·坎贝尔（William Wallace Campbell）已率先将观察重点转向对日食的观测和摄影上。在爱因斯坦的预言提出之前，他及其他天文学家就已经进行了多次日全食观测，留下了不少日全食时拍下的星空照片。
佛罗因德里给坎贝尔等几个天文学家写了信，请他们寄来一些日全食时拍下的照片，但以往拍摄日食是使望远镜一直瞄准太阳，而不是瞄准太阳附近的星星。因此很难通过以往日食期间拍到的照片来寻找恒星的光线偏折的证据。
1912年10月在南美洲北部有一次日全食，阿根廷科尔多瓦天文台（Córdoba Observatory）准备观测恒星的光线偏折，但因为发生日食的那天刚好阴云密布，根本无法进行拍摄和观测，所以这个第一次观测只有等到两年后。
下一次观测机会是1914年8月日全食，这次的日食带很宽，从东欧的西北直到东南。佛罗因德里决定亲自到日食现场去拍摄，但这个满怀热情的年轻人遇到了经费问题——他所在的柏林天文台对此丝毫不感兴趣，为了观测顺利进行，他不得不到处募集资金，连爱因斯坦也用自己的影响来帮助他，最后还是美国里克天文台的坎贝尔为他提供了一些经费，并派了一队人马和他同行。
预期日食发生在8月21日，德、美联合日食观测队选择靠近基辅的地方扎营。但科学家们没有想到的是，1914年8月1日，德国向俄国宣战，还没有等到日食发生，俄国人就逮捕了佛罗因德里等德国天文学家，他们的目的是用这些科学家来换被俘的士兵。
虽然俄国允许美国天文学家留下来观测日食，但是天公不作美，日食那天又是乌云密布。此后，里克天文台的天文学家迅速退出俄国，连带来的珍贵仪器都没运走。坎贝尔后来给另一位美国天文学家乔治·海耳（George Hale）的信中写道，“我从来不知道，满怀希望的天文学家们没有观察到日食，将会多么失望，他简直想从后门钻进家中，别撞见任何人”。
一战的阴云毁灭了弗罗因德里等人验证相对论的计划，战争从1914年8月开始到1918年11月结束，历时四年零三个月，这段时间欧洲没有天文学家再去试图观测日食来证明爱因斯坦的理论。
当欧洲的年轻人们在战场上自相残杀之时，爱因斯坦也正在和自己的思想“搏斗”——他完善了广义相对论。1915年爱因斯坦的广义相对论发表，他计算出星光在穿过太阳附近时所产生的偏折角度。有了具体的偏折角度数据，通过日食来验证相对论又前进了一步，但是，因为战争仍然在继续，观测机会遥遥无期。
英国人加入竞赛
在等待中，英国人加入了验证相对论的竞赛。验证广义相对论，是一场持续几十年、前仆后继的过程，英国人起步虽然晚，却后来居上。
1915年，爱因斯坦出版了介绍了他的广义相对论思想。这篇论文的影响本可能因为战争而被限制在德国，但爱因斯坦的两位密友：洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz）和保罗埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）收到了论文，并且与荷兰天文学家德西特（Willem de Sitter）分享。
德西特随后将文章发给英国著名天文学家爱丁顿，亚瑟斯坦利爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）23岁毕业于剑桥大学三一学院，1906年到格林威治天文台工作，1913年任剑桥大学天文学教授，1914年后兼任该校天文台台长。
坎贝尔像
31岁就当上剑桥大学天文台长的爱丁顿认为爱因斯坦的论文“美、优雅、有力”，“这篇文章让我数夜不眠”。
但在当时英国反德情绪严重，无法发表一篇德文的报告，爱丁顿就让德西特写了一系列文章来介绍爱因斯坦的理论。这样，在战争中最黑暗的时期，英国人也了解了爱因斯坦的发现。
天文学家预测到1919年5月29日将有一次日全食，始于智利和秘鲁的接壤处，越过南美，经过大西洋，然后到非洲的中部。全食延续时间最长的地方是在大西洋中，离利比里亚海岸几百公里的地方。
爱丁顿像
爱丁顿希望通过观测1919年的日食来验证爱因斯坦的理论。但由于当时英国和德国是交战的双方，英国人反德情绪分外激烈，而爱丁顿却是位和平主义者，他因拒绝参战而受到激烈攻击，成为当局监视的对象。
因此由他纵然想出面申请1919年的日食观测，也几乎不可能获准通过。这时另一位科学家站出来了——英国格林威治天文台的弗兰克戴森（Frank Dyson）。
戴森也是一位著名的天文学家，1889年毕业于剑桥大学，终生在英国皇家天文台工作（格林尼治和爱丁堡天文台），参加过自1900年以来的多次日食观测，观测经验十分丰富。他提出组织一个日食观测队观测1919年5月日食，并且希望由爱丁顿来领导观测队，但是政府工作人员则不同意。戴森试图用国家荣誉打动他们：爱丁顿是唯一能够证明是德国爱因斯坦还是英国人牛顿的理论正确之人。
听闻此言，战争办公室松了口，同意由戴森组队，爱丁顿参加此次观测。他们对爱丁顿发出通知，说不管他是否愿意，他必须参加戴森的日食观测队，这是对爱丁顿坚持和平主义观点的“惩罚”。
这样的“惩罚”，爱丁顿自然欣然执行。
爱丁顿和爱因斯坦历史性的会面
1919年日食比赛
经过讨论后，英国派出两支日食观测队，一支到南美洲巴西的索布拉，由戴森领队；一支到非洲西岸的普林西比岛，由爱丁顿领队。两个观测队各携带一台33厘米口径的天体照像仪，巴西观测队还多带了一台10厘米口径的光学望远镜。
这时，曾于1914年去往俄国观测日食，却无功而返的坎贝尔得到风声，听说英国人已经开始行动，他知道通过观测日食验证相对论的比赛加入了强劲的对手。
在此之前，1918年6月美国有一次日食，给了美国天文学家一次得天独厚的机会，但仍然因为受天空布满云彩，坎贝尔派去的观测队只获得很少的照片，无法证实爱因斯坦的光线偏折之理论。
因此，当1918年11月战争一结束，坎贝尔就催促里克天文台的另一位科学家科蒂斯赶快准备，也去参加这一观测活动。
虽然战争已经在1918年11月结束，但一切都很混乱。在普林西比岛活动最好的时间是6月到9月，因为其他时间都十分闷热。但观测队必须提前到达观测点做各种准备，因此爱丁顿观测队于1919年4月下旬就到达了普林西比岛，在闷热天气、暴雨袭击和蚊虫叮咬下做准备工作，等待5月19日下午2点15分开始的5分钟日食。他们担心的是：当天会不会又像以前几次那样，乌云密布甚至宝玉倾盆呢？
在日食那天的早上，普林西比岛还是风雨交加，但到日食时却风住雨停，天气变得很好，爱丁顿拍了多张照片，但仅有2张显示出恒星的图像。
而当时巴西的索布拉天气很好，戴森考察队一共拍摄了26张底片，其中19张由格林尼治皇家天文台的天体照相仪拍摄拍，这架专门用于天体照相的仪器所拍摄底片质量却较差，另一架4 英寸的小望远镜拍摄了7 张底片倒是很清楚锐利，但是尺度更小。在理想情况下，相对论效应仅导致在底片上1/60毫米的位移，只有恒星图像直径的1/4。因此照片尺度越小，进行计算就越为困难。
“爱因斯坦是正确的”
经过计算，索布拉观测队如果按照后7张底片计算，光线偏折值远远大于爱因斯坦的预言值。因此最后公布的值是所有26张底片的平均值，结果是1.98±0.12角秒；普林西比队的结果是1.61±0.30角秒，都与爱因斯坦理论预估的1.75角秒不相同。
爱丁顿与戴森讨论后，以加权方式定出光线偏折为1.64角秒的结论，与爱因斯坦的预言比较接近。1919年11月戴森在英国皇家学会和皇家天文学会上宣布：这次远征队的观测结果支持爱因斯坦的理论，还在皇家学会会刊上发表了一份报告《1919年5月日全食观测证实太阳引力场对光线的偏折作用》（“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）。
这一发现宣布之前几天，洛伦兹就打电报给爱因斯坦说：“爱丁顿发现太阳边缘的恒星位移。恭喜恭喜。洛伦兹。”爱因斯坦得知后，迅速给母亲写信报告英国日食观测队证实了他的理论，并说，“我从来没有想过会是别的结果”。
在英国皇家天文学会宣布结果后，伦敦《泰晤士报》于11月7日发出头版头条新闻，以大大的黑体字写道：“科学的革命：牛顿思想被推翻。”而《纽约时报》则以“光线在宇宙中弯曲”为标题进行了报道。
随着媒体的广泛报道，爱因斯坦迅速变成一名大众科学偶像——关于宇宙的精妙的思想，竟然可以通过一次日食验证，这本身就充满了神秘的魅力。从此他拥有了无数采访者、仰慕者，当然也有诽谤者。他接到无数演讲邀请，一次演讲就可以得到2000马克。同时“相对论”成为了普通人中的热门话题，在1917年到1922年之间，他的《狭义和广义相对论浅谈》至少出了14版，销售65000册之多，他因此得到的版税超过25000马克。他这几年通过讲座和出书等得到的收入超过了他在科学院和威廉皇帝研究所薪水的总和。
尽管英国的“权威”科学机构英国皇家学会进行声明，但是科学界内仍然有阵阵质疑的声浪，不少人怀疑爱丁顿和戴森发表的结果，甚至说日食观测结果是“经过爱丁顿烹调的”。为此，戴森还公开了原始底片的拷贝。
爱因斯坦得到1921年诺贝尔奖。
余音
从现在看来，当时的宣布是不无草率的，因为在检验光线弯曲这样一个复杂的观测中，导致误差的一个重要因素是温度。温度变化导致大气扰动的模型发生变化、望远镜聚焦系统发生变化、照相底片的尺寸因热胀冷缩而发生变化，这些变化将导致系统误差大大增加。
爱丁顿他们也认识到了温度变化对仪器精度的影响，他们在报告中说，小于10°F（5.5°C）的温差是可以忽略的。但是索布拉夜晚温度为75°F(23.8°C)，白天温度为97°F(36.1°C)，昼夜温差达22°F(12.2°C)。
后来研究人员考虑了温度变化带来的影响，重新测算了索布拉的底片，最大的光线偏折量可达2.16±0.14角秒，但是并未向外公布，先前证实爱因斯坦相对论的宣布仍然未被撤销。
这次观测结果被匆忙当作相对论的验证，或许部分是因为人们刚刚在战争的黑暗年代度过了4年，需要一点振奋人心的东西。此外还有对证明宇宙之神奇的渴望，以及由英国天文学家来证实德国人的理论，说明科学无国界的希望。而相对论的“神奇色彩”，以及爱因斯坦作为一个“梦想家”形象也对此推波助澜。
但在英国科学家证明了爱因斯坦的相对论几十年后，争论仍然不断。尤其是美国的科学家，在对爱因斯坦的广义相对论持怀疑和反对的天文学家中，坎贝尔最有代表性。他是一位相信“观测事实是判断理论是否正确的”的科学家，尽管参加过多次以检验爱因斯坦理论为目的的日食观测，但他始终没有找到“证据”。1919年，坎贝尔就曾在皇家天文学会上警告说，观测数据有误差，爱因斯坦理论可能不正确。
他的观点在美国天文学家中很具有代表性，他们不承认英国皇家天文台的权威性，又没有得到令人信服的观测数据，于是他们对相对论又抗拒了十多年。尽管1921年2月17日，连《自然》杂志都发文，确立了广义相对论的地位。
1922年，坎贝尔又一次为观测日食来到澳大利亚，周密地准备使观测精度有了提高，他得到的结果是1.72±0.11角秒。这一的观测结果证实了爱因斯坦理论的正确性，坎贝尔立刻承认广义相对论的科学性。尔后1929年、1936年、1947年和1952年日食时，各国天文学家都组织了检验光线弯曲的观测，到20世纪60年代初，天文学家开始确信太阳对星光有偏折，并认为爱因斯坦预言的偏折量比牛顿力学所预言的更接近于观测。历时将近40年后，关于广义相对论中光线偏折问题的争论终于尘埃落定。