物理群星
1919 相对论

1919 年日食观测

The 1919 Eclipse Expedition

战争刚结束,英国人带着望远镜去非洲和南美,证明一个德国人是对的。爱因斯坦一夜成名。

当时的困境

1916 年广义相对论发表时,它有三个可检验的预言。

水星近日点的进动:这一条爱因斯坦已经算过,与观测吻合。但那是已知的反常——理论是为了解释它而调出来的,说服力打了折扣。引力红移:当时的技术测不出。

只剩第三条是真正的预言:星光经过太阳附近时会被引力弯折。

麻烦在于牛顿理论也预言偏折。把光当作有质量的微粒,用牛顿引力算,得到 0.87 角秒。广义相对论给出的是 1.75 角秒——恰好两倍,因为除了时间的弯曲,空间本身也弯了。

两个数相差一倍,测量必须足够准才能区分。而要看到太阳边缘附近的恒星,只有在日全食的几分钟里。

洞见时刻

1919 年 5 月 29 日的日全食条件极好:太阳恰好位于毕星团前方,视场里有一大群足够亮的恒星可供测量。

组织这次远征的还有另一重背景。爱丁顿是贵格会信徒、和平主义者,1918 年英国普遍征兵时他以宗教信仰申请免役,几乎被判入狱。皇家天文学家戴森出面提出:这次日食是检验相对论的绝佳机会,爱丁顿是英国最懂这个理论的人,应当由他率队。当局接受了,条件是战争一结束他就去准备远征。

于是一个英国和平主义者被免除兵役的条件,是去检验一个德国人的理论——而两国刚刚打完四年仗。

远征分两路:爱丁顿去西非几内亚湾的普林西比岛,另一队去巴西的索布拉尔。

方法是拍两组照片:日食时拍太阳周围的星场,几个月后夜里再拍同一片天区,比对每颗恒星的位置有没有挪动。挪动量在角秒量级,相当于在一公里外分辨一枚硬币的边缘。

普林西比那天下雨。云到日食快开始时才裂开一些。爱丁顿拍了十六张底片,多数什么也没有。回英国后逐张测量,只有两张可用。

11 月 6 日,皇家学会与皇家天文学会举行联席会议,会场正面挂着牛顿的画像。戴森宣布:观测结果与爱因斯坦的预言一致,与牛顿值不符。

涟漪效应

第二天《泰晤士报》的标题是「科学革命——宇宙的新理论——牛顿观念被推翻」。爱因斯坦一夜之间从一位德国教授变成了全球名人,这个地位他保持了一生。

传播效果之所以这么大,与时机有关。一战刚结束,欧洲满目疮痍,而一群英国科学家跑到赤道去验证一位敌国科学家的理论并公开宣布他是对的——这件事本身被当作科学超越国界的象征,被报道得比理论内容还多。

后来有人质疑索布拉尔那组数据的取舍是否带有偏向:其中一台望远镜的照片因焦距漂移质量很差,被排除了,而那组数据恰好偏向牛顿值。1979 年皇家格林尼治天文台用现代方法重新分析原始底片,结论支持爱丁顿当年的判断。

更重要的是,此后几十次日食观测、以及 1960 年代之后用射电望远镜观测类星体被太阳遮掩时的偏折(射电不需要等日食),把这个结果确认到了千分之一以内。

如果没有它

光被引力弯折这件事,后来从一个待检验的预言变成了一件工具。

引力透镜:兹威基 1937 年指出星系可以像透镜一样放大背后天体的像;1979 年第一个引力透镜被发现。今天它是称量星系团、绘制暗物质分布、以及观测极遥远早期星系的主要手段——薇拉·鲁宾天文台的主要任务之一就是用弱引力透镜画出暗物质的三维分布。

GPS:卫星上的时钟因为处在较弱的引力场中走得比地面快,每天约快 45 微秒;轨道运动的时间膨胀又让它慢 7 微秒。不修正这两项,定位误差每天累积超过十公里。

黑洞:光被引力弯折推到极端,就是连光也逃不出去。1939 年奥本海默与斯奈德算出坍缩结局,2019 年事件视界望远镜拍下了 M87 中心黑洞周围被弯折的光环。

一场下着雨的日食,两张勉强可用的底片,把一个理论从纸上推进了现实。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.戴森、爱丁顿与戴维森《关于 1919 年 5 月 29 日日全食观测所得太阳引力场对光的偏折的测定》,《皇家学会哲学汇刊 A 辑》第 220 卷(1920)
  2. 2.爱因斯坦《广义相对论的基础》,《物理学年鉴》第 354 卷第 769 页(1916)
  3. 3.牛顿《自然哲学的数学原理》(伦敦,1687)——被这次观测比下去的那一方