星光弯曲的1919年
2014-09-18 16:05 来源:经济观察报 作者:冯八飞 编辑:经济观察网
导语:星光居然真的像爱因斯坦预言的那样弯曲了。空间确实弯曲,宇宙真可能有限!

爱因斯坦系列  之十一

冯八飞/文

在“爱因斯坦”这一史上最精彩科学大事件中,有三个重要时间点,第一个是1905年“奇迹年”,第二个是1915年11月爱因斯坦向普鲁士科学院提交四篇广义相对论科学报告。最后一个,就是1919年。

1919年,距“奇迹年”已过14年,但爱因斯坦成为人类最伟大的物理天才那一夜仍未到来。

说了半天,到底什么是物理?物理是人类最古老的科学,它源于先民对于地球和太空的无限惊叹和夺命探索。可很多人不知道物理可以分为实验物理学与理论物理学。

中学生都知道物理要由实验证明。我们通过实验把水分解为两个氢原子和一个氧原子,于是我们知道水是由两个氢原子和一个氧原子组成的。这个知识就是物理。用这个实验证明水的成分,即实验物理学。绝大部分物理学家都是实验物理学家,如伽利略、发现电磁感应的法拉第、发现能量守恒的焦耳和发现欧姆定律的欧姆,等等。

理论物理学则不同。它完全是理论,刚提出来时跟科幻小说差不多,提出后只能静待后世通过实验验证,有时实在找不到验证的方法,就一直是一种理论。比如宇宙大爆炸理论,现在算宇宙产生的主流理论,但其实到今天还没找到直接证据,因为根本造不出这么大的实验室来重现宇宙大爆炸。

实验物理学家一般看不起理论物理学家,觉得他们提出的理论都是胡说八道。但从牛顿开始,近代最伟大的物理学家基本上都可以算是理论物理学家,如提出电磁场理论的麦克斯韦、提出相对论的爱因斯坦、提出量子理论的玻尔和普朗克,以及提出虫洞理论的霍金。

理论物理学提出后通常要依靠数学计算来推理,因此数学家格罗斯曼才对广义相对论如此重要。也因为如此,广义相对论刚问世时遭到世界物理学界集体冷落,都把它看成拼拼凑凑的数学游戏。为让物理学界信服,爱因斯坦提出了验证广义相对论的三个预言。这三个预言最后都令人惊讶地成了真。

第一个是“水星近日点进动”。这是牛顿力学的老大难。看官须知,亚里斯多德认为星体运行轨道是圆形,因为在古希腊哲学中,圆形代表完美和谐,而地球上的运动,例如重物直线下落,在古希腊哲学看来都不完美。后来布雷赫-开普勒行星轨道运行定律和牛顿运动定律出来,大家又认为行星绕太阳旋转时轨道是椭圆。这个说法很快遇到了不可解决的困难——水星近日点进动。

太阳系中离太阳最近的是水星。法国天文学家勒维里埃发现水星每绕太阳公转一周,其轨道离太阳最近点(水星近日点)的位置就有微小进动(向太阳移动),每100年进动5600.73角秒。其中5557.62角秒可以解释,但剩下的43.11角秒却无论如何也找不到解释。这是物理学史上最大的悬案之一,被称为“飘浮在牛顿引力理论上空的一朵乌云”。因为,无法解释此事,牛顿万有引力理论就有可能被推翻。那欧洲就没科学啦。

于是,大家只好根据牛顿的万有引力理论假设太阳系还有一颗“火神星”,它的引力导致了水星近日点这43.11角秒的进动。这倒也非闭着眼瞎猜,因为此前的海王星就是这样根据万有引力理论找到的。但这一次遇到了问题,无论大家眼睛瞪多大,这颗火神星始终没找到。

1915年爱因斯坦在权威刊物《普鲁士科学院学报》发表论文《论广义相对论》,其精华是一个方程式,凭它可在限定质量或辐射时得出空间的曲率,论文的结论是“物质决定空间的弯曲,而空间决定物质的运动。”此即宣布星光弯曲的引力场理论!该理论完美解释水星近日点进动,等于广义相对论直接击倒万有引力。

爱因斯坦的解释是:根本就没有什么“火神星”!只是因为太阳的存在造成空间弯曲,加上万有引力理论不够精确,计算偏差,这才导致了这场漫长的误会。后来科学观测得到的数值证实了爱因斯坦的论断,而且,至今我们也没发现“火神星”。解释“水星近日点进动”是广义相对论诞生之后的第一场胜仗,此后大家开始拿广义相对论当回事儿了。

第二个预言是“相对论红移”,它提出,我们观测宇宙时,邻近星体发出的光谱线与地球上同类分子产生的光谱线相比,其谱线偏向红端(长波端)。1920年代,天文学家观测天狼星伴星时验证了相对论红移。天狼星伴星与白矮星相似,密度很大,在观测过程中获得的值都与爱因斯坦的计算值相近。这是广义相对论的第二个胜仗。

第三个预言,也是最重要和直观的预言,爱因斯坦预言宇宙中巨大的星星都会形成引力场,这个引力场会让该星星周围的空间弯曲。这同时是广义相对论最著名的预言:空间(即宇宙)是弯曲的。

要证明空间是弯曲的,地球上根本找不到证据,只能到太空中去找。距离地球最近最大的星星是太阳,如果广义相对论正确,当遥远的外太空星星发出的光经过太阳旁边时,受到太阳引力场的影响,星光会发生微乎其微的弯曲。这是当时人类能够证明广义相对论的最直接证据。完成这个实验的关键在于必须先把太阳挡住,否则,太阳光太强,我们根本无法看到掠过太阳边缘的外太空星光。可是,谁能挡住太阳?太阳表面温度6000度,即使谁有这本事飞过去,也根本飞不拢,因为还没飞拢就被太阳烤成一股青烟啦。那么,怎么才能把太阳光挡住呢?

日全食!

其实,1907年,还在伯尔尼专利局当公务员的爱因斯坦就发现了等效原理,等效原理意味光线会发生弯曲。四年后,当了布拉格德意志大学正教授的爱因斯坦计算出日全食时星光掠过太阳边缘时发生的弯曲度是0.87角秒。

不过,这个计算结果是错误的!爱因斯坦那时还没明白宇宙是弯曲的,他那时仍相信牛顿力学,即宇宙是平的,这个0.87角秒正是用牛顿的万有引力和光微粒说理论计算出来的,后称“牛顿值”。

1912年,回到苏黎世ETH大学担任教授的爱因斯坦在老朋友格罗斯曼的帮助下终于结识了黎曼几何,黎曼老师告诉爱因斯坦同学:空间是弯的。即使这样,到1914年爱因斯坦仍没找到正确答案。后来爱因斯坦被罗爱莎锁在柏林住家楼上俩星期,突然之间恍然大明白:原来,光线弯曲是因为空间是弯曲的!光线沿着空间传播,因此也是弯曲的。1915年11月18日,爱因斯坦纠正了自己的错误,算出日全食时星光掠过太阳边缘的弯曲度应为1.74角秒。这个值现称“爱因斯坦值”。也就是说,爱因斯坦值是牛顿值的两倍。

咱们先前说了,爱因斯坦从小是头“下狗”(Underdog),大学毕业前运气要多烂有多烂。但其实人一生的运气都是差不多的,如果你小时候运气很差,通常意味着你长大之后运气会变好。爱因斯坦这时运气变得空前地好起来。

为验证日全食时星光掠过太阳边缘的弯曲度,欧洲人民努力过好几回,可都失败了。1912年一支阿根廷观测队开到巴西准备观测日全食,结果没弄成。1914年8月,一支德国远征队开到克里米亚准备观察8月21日的日全食,谁知他们刚进入俄罗斯,第一次世界大战就爆发了,俄罗斯向德国宣战,全体科学家被当作德国间谍抓了起来,直到双方交换战俘时才返回德国,观测当然也就胎死腹中。1915年11月18日,爱因斯坦发现爱因斯坦值,1916年委内瑞拉日全食,但再次因为战争无法进行观测。

有趣的是,这些失败却保证了爱因斯坦的成功,因为此时爱因斯坦预言的还是牛顿值,如果观测成功将证明爱因斯坦是错的。那他说不定会因此全盘放弃相对论。

1919年2月爱因斯坦跟马蜜娃离婚,之后那个伟大的日子,1919年5月29日就来了。这个日子之所以伟大,是因为爱因斯坦遇到了爱丁顿。

爱丁顿是一个英国人,英国剑桥大学天文台台长。此公也是个妙人。广义相对论发表后,《纽约时报》宣布“全世界只有12个人懂广义相对论”,意思是该东西实在曲高和寡。很快《纽约时报》的记者又报告爱丁顿一个更极端的说法:“地球上只有3个半人理解相对论”。这个说法实在太极端了,因为广义相对论作者——爱因斯坦与格罗斯曼——肯定是懂的。爱丁顿立刻低下了天文台长硕大的脑袋,记者赶紧安慰他说:“您不必如此谦虚。我们都知道您肯定是其中之一。”谁知爱台长立即抬头反驳说:“对不起,我不是谦虚。刚才我是在想另外那半个人到底是谁。”

爱丁顿验证爱因斯坦的广义相对论,并非顺理成章。当时正值第一次世界大战,英德大打出手,从国家而言他俩是敌人。这个故事非常精彩,容我细细为您从头道来。

话说1916年春天,英国皇家天文学会突然收到爱因斯坦的《广义相对论基础》!寄信人是中立国荷兰莱顿大学教授、英国皇家天文学会通讯会员西特,论文是爱因斯坦寄给他的。爱丁顿毫无疑问是个识货的,他一眼就看出论文的划时代意义,马上请西特写了三篇文章介绍,很快发表在皇家天文学会会刊,顿时轰动英国科学界。

这可是英国人牛顿发现万有引力定律以来的两个半世纪里,第一次有人向牛顿提出强有力的挑战,而且挑战者居然是个德国人!而且看上去牛顿好像有点招架不住。英国科学界群情激奋,纷纷要求迅速观测日全食,以证明爱因斯坦是错的!

根据计算,1919年5月29日将发生日全食,而这天刚好能通过太阳边缘观测到金牛座的毕宿星团,如果天气晴朗,至少可以照到13颗很亮的星星。此乃天赐良机:如果星光掠过太阳边缘时确如爱因斯坦预言的那样弯曲了1.74弧秒,牛顿就得脱帽退出历史舞台;如果星光并未弯曲,爱因斯坦就必须去伦敦牛顿墓前赔礼道歉。

当时照相技术相当原始,要照出这1.74角秒非常困难。但爱丁顿跟爱因斯坦一样是个咬定真理不松口的人,在他强力推动下,皇家天文学会决定观测这次日全食。当时德国潜艇封锁英国海岸线,广大英国人民忍饥挨饿,每天都有英军士兵死于德国枪炮,此时花费英国的财力人力去证明一个德国科学家的研究成果,非纯粹的科学家莫办。

但爱丁顿恰恰是这样纯粹的科学家。他与爱因斯坦一样坚持科学无国界,并以自己的热情和执著感动了皇家天文官代逊。1919年3月,代逊在格林威治皇家天文台官邸拍板决定派出两支远征队分赴非洲的普林西比岛和南美巴西的索布拉尔村拍摄这次日全食。会议结束时爱丁顿副手开玩笑地问代逊:“如果观测到的星光弯曲度既不是0.87角秒,也不是1.74角秒,而是3.4角秒,咋办?”代逊双手一摊说:“那爱丁顿就要发疯了。英国不需要疯子,你就一个人回英国来吧。”

英国虽然贵为海上霸主,但当时的航海技术相当简陋,爱丁顿在海上颠簸到4月23日才赶到普林西比岛,然后架设望远镜、选择角度、试拍照片,忙作一团,等待宇宙宣判爱因斯坦。5月29日终于到了,可一清早就下起了倾盆大雨。爱丁顿只好呆坐帐篷望天骂娘:这要是拍不到,两年多的筹备就算泡汤,大笔银子就算化成水流走了。当时英国是世界第一强国,所以可能老天爷听到英国人骂娘后比较给面子,到中午,雨居然停了,可阴云却不散,中午一点半还看不见太阳。眼看月球已经如约来到地球和太阳中间,可太阳呢?话说天文观测不像吃瓜子,吃到一个臭的吐了再吃一个就好了。天文观测失败就得等下一次,而下一次可能得好几年,而且很可能只有北极才能看得见,那您就得去北极!还得再花好大一笔银子。如果这次观测失败,下次政府给不给钱还另说呢!

所以,爱丁顿决心死马当作活马医,有云也拍。恰好此时云薄了些,天空立刻暗下来,显示日全食开始。爱丁顿抓住机会,一声令下“开拍”。此时已经“食甚”,月亮完全遮住了太阳,太阳变成一个大黑球,外圈却像烧红的煤球一样向外喷吐着长长的火舌。太阳背后遥远的外太空,毕宿星团的几颗星星正调皮地向所有人挤眉弄眼。大家屏住呼吸,只听见拍照的“咔嚓”声和照相师手忙脚乱换底片的声音。当时每拍一张照片都要换一次巨大的底片暗匣,等太阳重新普照大地,总共才拍了16张。然后,观测队不能下岛,得等入夜后再次拍下毕宿星团的照片,然后用这张照片与日全食照片对比,才能确认日全食时发出的星光是否发生了弯曲。

爱丁顿实在等不及回到伦敦,他在普林西比岛上就开始冲洗。当时没有数码打印机,想看照片得用几种药液依次冲洗底片,十分复杂。冲出一张来,一看,只有太阳和月球的影子,旁边根本看不见星星。不是没有星星,而是被云遮住了。第二张、第三张、第四张,都是这样。每洗出一张照片,爱丁顿的心就下沉一格……直到最后一张照片,底片上出现了清晰的星星。爱丁顿的心脏呼一家伙猛然跳到最高格:空间是否弯曲,宇宙是否有限无边,这些关乎宇宙存在的惊天秘密,都在他手中的这张底片上!他哆嗦着把这张底片与入夜后拍摄的星光底片重叠起来放在装有照明灯的乳白色玻璃上,弯下腰去看。腰还没彻底弯下去,爱丁顿已经看到了:太阳周围的那十几颗星星发出的光,确实都向外偏转了!人类历史最大的彩票开出了中奖号码:星光居然真的像爱因斯坦预言的那样弯曲了。空间确实弯曲,宇宙真可能有限!

爱丁顿不知道,他拍摄成功之后4天,爱因斯坦跟罗爱莎在柏林结为夫妻,这等于是他送爱因斯坦的结婚礼物。有趣的是爱因斯坦并不领他的情,因为在婚礼上的爱因斯坦并不知道自己的伟大预言已经成真。伟大的历史事件发生时,当事者经常并不自觉。爱丁顿不需要发疯了,因为他得去当英国最有名的相对论专家。

他回到英国时,南美洲索布拉尔拍摄队的照片也印证了爱丁顿的判断。日全食时天会变黑,而这一天无疑是牛顿万有引力的黑暗之日,所以有人仿照蒲伯称赞牛顿的诗句狗尾续貂曰:“魔鬼说:‘爱因斯坦,降生吧!’于是世界又遁入黑暗。”

然而,这仍非爱因斯坦成名的那一夜。那一夜降临在1919年11月6日。

这天下午,英国皇家学会和皇家天文学会在伦敦召开联席会议,英国科学界各路泰斗济济一堂。这些德高望重的教授们板着脸正襟危坐,连说话都附耳私语。他们深知今天会议意义,虽然观测结果大家都有所耳闻,但今天的正式发布带有划时代的意义。

全场肃穆,英国皇家学会会长、电子的发现者汤姆森起立致词。他宣布,两个观测队的观测结果证明星光掠过太阳时确实发生了弯曲。说了半天星光弯曲,到底是什么意思呢?汤姆森知道这个意思。他孤独地站在发言台上,不胜重负。这个曾对相对论非常不以为然的世界科学领头人背后挂着一幅巨大的牛顿油画。担任英国皇家学会会长24年的牛顿居高临下威严地俯视着自己后任的脊梁,静候他宣布自己与爱因斯坦之间这场决斗的胜负。汤姆森清了一下嗓子,说:“这是牛顿时代万有引力理论以来最重大的成果,爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一——也许就是最伟大的成就……这不是发现了一个小岛,而是发现了科学思想的新大陆。”

晴天霹雳!

皇家学会与皇家天文学会全体会员如丧考妣。因为,爱因斯坦对了,牛顿就错了。牛顿错了,他们的饭碗就打得稀烂。牛顿的接班人汤姆森亲口宣布将牛顿传下的世界科学权杖交给爱因斯坦。牛顿那条史上最有名的谦虚格言居然并非谦虚:“我不知道在别人看来我是什么人,但在我自己看来,我不过是个在海滨玩耍的小孩,为不时发现更光滑的一块卵石或更美丽的一片贝壳而沾沾自喜,却完全没发现面前浩瀚的真理海洋。”

是的,他确实没发现。但是爱因斯坦发现了,爱因斯坦传奇,从此开始。爱丁顿此时根本没见过爱因斯坦。然而,这个英国天文学家证明,一战死敌德国,他们家的爱因斯坦打倒了英国最伟大的科学家牛顿。这就叫科学无国界!爱丁顿这个为敌国科学家作嫁衣裳的伟大科学家就此赢得“伟大”这个两个字当墓碑。

很多文章说1905年爱因斯坦一夜成名。其实它们的作者都没仔细读史。1919年11月6日下午,才是爱因斯坦真正成名的那一夜。是的,当时就是这样。是的,当时确实是白天。但爱因斯坦这颗天定的明星仍然在这个白天闪烁出华彩四溢的耀眼光芒。

然而,这次成名,能让世界对爱因斯坦心服口服吗?

 

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