NO IMAGE

一次改變世界的日食:廣義相對論預言被證實95週年

1919年5月29日發生了一次不同尋常的日食。它持續了6分51秒,是20世紀時間最長的日食之一。更為重要的是,在這次日食中,英國天文學家亞瑟·愛丁頓組織了一次天文觀測,首次證實了愛因斯坦的廣義相對論:在有質量的物體周圍,時空會彎曲,引力使得光也無法直線傳播。

正是這次發現讓愛因斯坦一夜成名,廣義相對論戰勝了牛頓的理論。

一次改變世界的日食:廣義相對論預言被證實95週年
愛因斯坦

 

1919年,牛頓的萬有引力定律仍然主導著科學界,因為它非常精準地符合觀測和實驗。這使得愛因斯坦的理論看起來驚世駭俗:時間和空間是相對的,形成一個四維的連續體——時空。在重力場中,時空會彎曲。

一次改變世界的日食:廣義相對論預言被證實95週年
彎曲的時空

 

廣義相對論預言,光線不會沿完美的直線傳播。有質量的物體周圍的時空會彎曲,光線也會隨之彎曲,當然這個尺度非常小。例如,從太陽邊緣經過的光線,會偏折非常微小的1.75角秒(1角秒=1°的1/3600)。1.75角秒有多小呢?如果一個直角三角形有一個內角為1.75角秒,它要達到1200米長,才能有1釐米高。當然,光線彎曲不是相對論的專利,早在1704年,牛頓就提出,大質量物體可能會彎曲光線,不過他是基於把光子看做有質量的粒子。根據牛頓力學,德國天文學家索德納預言,光線經過太陽邊緣時會偏折0.875角秒,這比相對論的預言小了差不多一半。

 

一次改變世界的日食:廣義相對論預言被證實95週年
相對論預言,光線經過太陽的引力場時會發生偏折

 

這樣小的區別,根本無法在地球上做實驗來驗證。

 

1917年,英國皇家天文學會的天文學家弗蘭克·沃森·戴森爵士(Sir Frank Watson Dyson)想出了一個完美的實驗來解決這個問題。1919年5月29日即將發生一次日全食,此時太陽將接近明亮的畢星團(Hyades)。戴森意識到,星團中的星光到達地球之前,會先通過太陽的重力場。而日食遮擋了陽光,這樣人們就可以精確地測量星光在太陽重力場中偏折的位置。

一次改變世界的日食:廣義相對論預言被證實95週年

 

 

英國天文學家亞瑟·愛丁頓爵士(Sir Arthur Stanley Eddington)首先在1919年1月和2月觀測確認了畢星團恆星的“真實”位置。5月,他來到了非洲幾內亞灣東南部的火山島普林西比島(Príncipe)等待日食。

 

一次改變世界的日食:廣義相對論預言被證實95週年
弗蘭克·沃森·戴森爵士和亞瑟·愛丁頓爵士

 

為防普林西比島天氣不利於觀測,另一組由戴森帶隊的天文學家來到了巴西的索布拉爾(Sobral)進行觀測。在那個沒有越洋飛機和全球通訊的年代,分頭在兩地進行這樣的實驗,還攜帶著大量的裝置,是相當困難的。

 

天公作美。1919年5月29日下午2點15分,兩個地方的天氣都很好。天文學家在這短短六分鐘的日食過程中,拍下了許多珍貴的照片。

 一次改變世界的日食:廣義相對論預言被證實95週年

 

幾個月後,觀測隊回到英國,用加權平均的方法算出了星光偏折的角度:1.64角秒,與愛因斯坦的預言很接近。

 

1919年11月6日,愛丁頓宣佈了他的發現,引起了巨大的轟動。第二天早上,愛因斯坦登上了全球各大媒體的頭版,一夜成名。倫敦《泰晤士報》的頭版標題為“科學革命:牛頓的思想被推翻”。

 

光線在大質量物體的重力場中會彎曲的事實,後來被稱為“引力透鏡”(gravitational lensing),在現代已經成為一個非常重要的天文學工具。

一次改變世界的日食:廣義相對論預言被證實95週年
引力透鏡

 

關於愛因斯坦和愛丁頓,他們的互相欣賞發展出了深厚的友誼。BBC在2008年還曾拍了一部電影《愛因斯坦與愛丁頓》(Einstein And Eddington),講述這兩人的友情。

 一次改變世界的日食:廣義相對論預言被證實95週年
電影《愛因斯坦與愛丁頓》劇照

 

和所有新事物所受到的待遇一樣,愛丁頓的觀測結果受到了很多質疑。直到1922年,一次澳大利亞的日食觀測結果再次證實了相對論的預言,科學界才算完全承認了愛因斯坦的理論。1919年5月29日這次不同尋常的日食,是對相對論預言的第一次偉大的嘗試,將永遠銘刻在科學史上。