爱因斯坦的日食缘

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(本文已发表于新民网）

没有哪个科学家能比爱因斯坦更"震"了，以至于霍金写《时间简史》的时候拼着销量减少一半的风险也要写上爱因斯坦的质能方程E=mc2，作为平凡人的我们，跟三五朋友吹吹爱因斯坦，一定让众人仰慕一把。这不，谈资来了，今年是爱丁顿用日全食观测验证广义相对论90周年，以拍摄科学纪录片著称的BBC（英国广播公司）为此而拍摄了《爱因斯坦与爱丁顿》，足以满足我们在舒适的享受中了解科学的小小心愿。

 

影片从风景秀丽的非洲海岸开始，爱丁顿亲自帮助工人一起将望远镜吊到山顶上，另一位科学家、当时的皇家天文学家戴森（Sir Frank Waston Dyson）则以标准的绅士精神"帮忙"喊加油。

1919年发生在非洲的这次日全食，是牛顿经典力学与爱因斯坦相对论的一次"巅峰对决"。 两百多年的时间里，从苹果落地到发现新行星，从杠杆到蒸汽机，牛顿力学"一统江山"。科学家们一度以为，到19世纪末，物理学已经终结。牛顿理论的基础是平直空间，空间是没有边界，处处均匀的，时间就在这个"绝对空间"框架中均匀地流淌，很少有科学家会怀疑这个基础，直到爱因斯坦相对论的出现。

爱因斯坦直接挑战牛顿的"绝对时空"观念，在1905年发表的狭义相对论中，将运动、空间和时间整合为一体，由此得到了德国学术泰斗普朗克的赞赏，将他延请到当时世界科学的中心柏林大学任教。爱因斯坦又花了十年时间，才将引力整合到相对论中，于1915年发表了广义相对论，认为空间不是平直的，而是弯曲的，质量（比如太阳）的存在，如同床单上的重球一样将空间弯曲，行星就是沿着弯曲空间中的"直线"进行运动。可惜此时的爱因斯坦才不过36岁，只是科学圈的"新兵"，在实验未曾证实以前，难以得到"言必称牛顿"的科学家们的认同，但英吉利海峡对岸一位更年轻的科学家却与他产生了共鸣。

剑桥大学天文学家爱丁顿（Arthur Stanley Eddington，1788-1944）是一位贵格会派（Quaker，又称教友派）教徒，这个教派主张宗教自由，奉行和平主义，并拒绝服任何形式的兵役。爱丁顿是个颇有意思的人，比如他很喜欢大数，给学生上课的时候用到几十亿这样的大数字，他一定要把所有的零都写出来；他甚至过于相信整数，比如当时物理学中的精细结构常数大约是1/136，他认为分母应该取整数136，后来实验结果发现其实更接近1/137，他又坚持应该取整数137（实际精确测量的结果分母上必须要挂上一串小数）--因此学生们给他取了绰号"Adding One（整数先生）"。第一次世界大战期间，英德双方的科学家也被高涨的民族主义所感染，几乎断绝了学术往来，但爱丁顿却一直关注着爱因斯坦的学术进展，深刻地理解了广义相对论的价值。巧合的是，这两位科学家都反对战争，认为这场战争是荒谬的，科学家对战争的支持，人们对于杀戮的狂热是不可理喻的。

爱因斯坦发表广义相对论时，第一次世界大战（1914-1918）已经打响，他的论文通过当时中立国荷兰的科学家德西特（de Sitter，后来在宇宙学方面也做出了重要贡献）送到了爱丁顿手中，他深知只有爱丁顿才能够理解这理论。爱因斯坦预言经过太阳附近的星光路径会被弯曲，从而看上去（与夜晚看到的）位置有所移动。按照牛顿理论，光线经过太阳边缘时，弯曲角度约0.87角秒（1角秒是1度的3600分之一），而广义相对论给出的结果则是1.75角秒，比牛顿理论的预言要大一倍。

爱丁顿敏锐地认识到，在发生日全食的时候，太阳光完全被遮挡，观测太阳附近星光偏折就可以用来检验爱因斯坦的预言，于是积极为此事而奔走，向同事们宣讲对广义相对论进行验证的重要性，他所撰写的《相对论的数学原理》被爱因斯坦称为这一领域的最佳作品。当时的皇家天文学家戴森爵士发现，1919年5月29日的日全食符合进行这个检验的理想条件，不仅全食阶段持续长达6分钟，而且此时太阳正好位于七姐妹星团前面，这个星团的恒星相当明亮。非常适合检验爱因斯坦的预言。在戴森的游说之下，英国政府决定，作为对爱丁顿拒绝服兵役的 "惩罚"（其他拒绝服役的贵格会派教徒已经被送到了苦役营削土豆了），如果战争在1919年结束，责成爱丁顿带领一支探险队前往非洲观测日全食，检验星光的弯曲。

 

1919年5月29日的这次日全食本影从南美西岸开始，经过巴西北部，跨越大西洋，抵达非洲中部东海岸。为了保险起见，英国派出了两支探险队，一支由格林尼治天文台的Andrew Crommelin带队，前往巴西Sobral，一支由爱丁顿带领，前往非洲西岸几内亚湾的Principe岛。6月的皇家天文学会杂志上刊登了两支观测队来回来的电报，Crommelin说："日食精彩。"而爱丁顿的电报则多少一些沮丧："有云，但仍有希望。"

因为星光偏折的程度随恒星距离太阳边缘远近而有所变化。爱丁顿与戴森多次讨论后，对观测结果的重要性给出评判，用加权平均的方法给出偏离1.64角秒的结果，与爱因斯坦的预言很接近，这个结果于11月6日皇家天文学会的特别会议上宣布。

英国《泰晤士报》立刻报道了这个消息，11月7日的头版头条新闻标题是《科学革命：宇宙新理论！牛顿学说被推翻！》（Revolution in Science / New Theory of the Universe / Newtonian Ideas Overthrows），不修边幅的爱因斯坦教授立刻成为媒体争相报道的对象，变成了家喻户晓的科学明星。

 

当时报纸的插图

爱丁顿公布的结果，虽然被大多数科学家所接受，并成为广义相对论早期的支持证据之一。但也并非没有怀疑，毕竟相对于爱因斯坦预言来说，观测结果误差高达20%，更别说爱丁顿舍弃了明显"不正确"的结果。因此有些科学家拒绝承认爱丁顿公布的结果。

随后的日全食观测中，测量星光偏折，验证广义相对论成为一项重要的观测内容。由于干扰因素比较多，总精度提高并不大。

1960年代，随着类星体3C 273和3C 279的发现，提供了非日食观测方法，每年10月8日，太阳就会遮蔽这两颗相距很近的类星体，射电天文学用观测两者间隔变化代替观测单课类星体方向变化的方法将误差降低到1.5%。上个世纪末，欧洲空间局发射了专门用于测量恒星位置的喜帕恰斯卫星，勿须日全食就可以测定太阳附近的恒星星光偏折，用跟爱丁顿同样的比较手段，卫星给出的数据与爱因斯坦的预言误差不超过千分之一。

影片对于当时的历史背景和人物性格做了相当真切的刻画，尤其是在战争氛围中，爱因斯坦和爱丁顿仍能够保持内心的安宁，不为当时泛滥的民族主义情绪所动，正如爱因斯坦在《泰晤士报》上发表的文章指出，假如政治家能够学习到科学家的品质，那么欧洲就不会遭受战争的疯狂破坏了。爱因斯坦的广义相对论代表了人类思想的洞察力所能够达到的高度，由此也成为一战后彷徨的人们所需要的偶像，直到今天，爱因斯坦的公众影响力还无人能够超越，但是为此做出重要贡献的爱丁顿却很少为大众所知，由BBC拍摄的这部电影算是90年后对爱丁顿的一种迟到的补偿吧。

不过影片里面，存在一些小的科学偏差，比如必须要精确测量的统计结果被简化为只要比较两张底片上星光位置存在移动，就证明爱因斯坦正确，假如历史上确实如此，牛顿老先生想必要气得爬起来抗议这样的"技术性击倒"吧。

影片中的两位主人公都是科学史上举足轻重的科学家，如果你以为这两位科学家是"圣人"的话，那么你一定会大吃一惊。因为你会发现，爱因斯坦不仅仅如传说中擅长拉小提琴，还是个花心大萝卜，在还没有离婚的时候就带着情人表姐四处招摇，最终抛弃了曾经共患难的妻子。而另爱丁顿则与一位同性朋友有一段当时无法公开的"恋情"。这些"八卦"，并非是导演故作惊人的虚构，而是确有其事。再伟大的科学家，在生活中也是有血有肉，有真实情感的普通人。