廣義相對論可能是上世紀最富神奇色彩，卻又最命運多舛的理論之一。它從誕生到被接受經(jīng)歷了曲折復雜的爭論、驗證過程?，F(xiàn)在少有人知的是，而從1912年開始，科學家們發(fā)起了一次次遠征，到遙遠的大陸去觀測日食，以驗證愛因斯坦的理論，正是這一次次有關日食的遠征使得幾十年來，關于廣義相對論的爭論終于塵埃落定。

PS：感謝shea的細心閱讀和修改建議！

2009年，不僅7月22日的日全食令天文愛好者興奮萬分，在普林西比島，90年前的另一場日食也讓很多人為它舉行了一場慶祝典禮——1919年在這里發(fā)生的一次日食，不僅僅是一場日食，還見證了科學上的重要進展——相對論被證實的那一刻。

愛因斯坦在伯爾尼的舊居，當時他和妻子住在一樓，這里便是他思考醞釀相對論的地方。

戰(zhàn)爭夾縫中的科學探險

1911年，愛因斯坦在《物理年鑒》上發(fā)表了題為《關于引力對光線傳播的影響》的論文，論文中預言：當恒星的光非常接近太陽時，會因為太陽的引力而產(chǎn)生小小的偏離，而這種光線的彎曲是可以測量的。

光線在通過強引力場附近時會發(fā)生彎曲，這是廣義相對論的重要預言之一，但在當時卻因為過于深奧而不被科學界所接受。但愛因斯坦同時還提出驗證方法：在日全食時，太陽光線被遮蓋，可以通過測定此時星星的位置，并和平時星星的位置進行比較，來驗證這個預言。

盡管將信將疑，但天文學界馬上開展了一場驗證的競賽。最先參與進去的，是德國一個年輕天文學家弗羅因德里希（Erwin Freundlich）。

他本是柏林天文臺的工作人員，對天體物理學充滿熱情，但他的上司并不關注理論物理學的新進展，只讓他負責繁瑣的星表編輯以及帶領人們參觀天文臺的工作。

1911年8月，一名德國物理學家里奧·波拉克（Leo W. Pollack）來柏林天文臺參觀。他帶來了弗羅因德里希天文學生涯的轉機——他告訴弗羅因德里希，一個名叫愛因斯坦的新人加入了他們研究所，最近發(fā)表了一篇論文，預測引力場可以使得光線彎曲。最重要的是，他還給出了驗證方法。

弗羅因德里希對此很感興趣，因此波拉克催促年輕人趕快給愛因斯坦寫信，看看作為柏林天文臺的工作人員能不能做點什么。

弗羅因德里希很快給愛因斯坦寫了信，愛因斯坦回信說，希望他可以通過觀測來驗證光線彎曲的預言。

19世紀正是天文攝影術開始廣泛的應用之時，美國里克天文臺（Lick Observatory）臺長威廉·華萊士·坎貝爾（William Wallace Campbell）已率先將觀察重點轉向對日食的觀測和攝影上。在愛因斯坦的預言提出之前，他及其他天文學家就已經(jīng)進行了多次日全食觀測，留下了不少日全食時拍下的星空照片。

佛羅因德里給坎貝爾等幾個天文學家寫了信，請他們寄來一些日全食時拍下的照片，但以往拍攝日食是使望遠鏡一直瞄準太陽，而不是瞄準太陽附近的星星。因此很難通過以往日食期間拍到的照片來尋找恒星的光線偏折的證據(jù)。

1912年10月在南美洲北部有一次日全食，阿根廷科爾多瓦天文臺（Córdoba Observatory）準備觀測恒星的光線偏折，但因為發(fā)生日食的那天剛好陰云密布，根本無法進行拍攝和觀測，所以這個第一次觀測只有等到兩年后。

下一次觀測機會是1914年8月日全食，這次的日食帶很寬，從東歐的西北直到東南。佛羅因德里決定親自到日食現(xiàn)場去拍攝，但這個滿懷熱情的年輕人遇到了經(jīng)費問題——他所在的柏林天文臺對此絲毫不感興趣，為了觀測順利進行，他不得不到處募集資金，連愛因斯坦也用自己的影響來幫助他，最后還是美國里克天文臺的坎貝爾為他提供了一些經(jīng)費，并派了一隊人馬和他同行。

預期日食發(fā)生在8月21日，德、美聯(lián)合日食觀測隊選擇靠近基輔的地方扎營。但科學家們沒有想到的是，1914年8月1日，德國向俄國宣戰(zhàn)，還沒有等到日食發(fā)生，俄國人就逮捕了佛羅因德里等德國天文學家，他們的目的是用這些科學家來換被俘的士兵。

雖然俄國允許美國天文學家留下來觀測日食，但是天公不作美，日食那天又是烏云密布。此后，里克天文臺的天文學家迅速退出俄國，連帶來的珍貴儀器都沒運走。坎貝爾后來給另一位美國天文學家喬治·海耳（George Hale）的信中寫道，“我從來不知道，滿懷希望的天文學家們沒有觀察到日食，將會多么失望，他簡直想從后門鉆進家中，別撞見任何人”。

一戰(zhàn)的陰云毀滅了弗羅因德里等人驗證相對論的計劃，戰(zhàn)爭從1914年8月開始到1918年11月結束，歷時四年零三個月，這段時間歐洲沒有天文學家再去試圖觀測日食來證明愛因斯坦的理論。

當歐洲的年輕人們在戰(zhàn)場上自相殘殺之時，愛因斯坦也正在和自己的思想“搏斗”——他完善了廣義相對論。1915年愛因斯坦的廣義相對論發(fā)表，他計算出星光在穿過太陽附近時所產(chǎn)生的偏折角度。有了具體的偏折角度數(shù)據(jù)，通過日食來驗證相對論又前進了一步，但是，因為戰(zhàn)爭仍然在繼續(xù)，觀測機會遙遙無期。

英國人加入競賽

在等待中，英國人加入了驗證相對論的競賽。驗證廣義相對論，是一場持續(xù)幾十年、前仆后繼的過程，英國人起步雖然晚，卻后來居上。

1915年，愛因斯坦出版了介紹了他的廣義相對論思想。這篇論文的影響本可能因為戰(zhàn)爭而被限制在德國，但愛因斯坦的兩位密友：洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz）和保羅埃倫費斯特（Paul Ehrenfest）收到了論文，并且與荷蘭天文學家德西特（Willem de Sitter）分享。

德西特隨后將文章發(fā)給英國著名天文學家愛丁頓，亞瑟斯坦利愛丁頓（Arthur Stanley Eddington）23歲畢業(yè)于劍橋大學三一學院，1906年到格林威治天文臺工作，1913年任劍橋大學天文學教授，1914年后兼任該校天文臺臺長。

坎貝爾像

31歲就當上劍橋大學天文臺長的愛丁頓認為愛因斯坦的論文“美、優(yōu)雅、有力”，“這篇文章讓我數(shù)夜不眠”。

但在當時英國反德情緒嚴重，無法發(fā)表一篇德文的報告，愛丁頓就讓德西特寫了一系列文章來介紹愛因斯坦的理論。這樣，在戰(zhàn)爭中最黑暗的時期，英國人也了解了愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)。

天文學家預測到1919年5月29日將有一次日全食，始于智利和秘魯?shù)慕尤捞?，越過南美，經(jīng)過大西洋，然后到非洲的中部。全食延續(xù)時間最長的地方是在大西洋中，離利比里亞海岸幾百公里的地方。

愛丁頓像

愛丁頓希望通過觀測1919年的日食來驗證愛因斯坦的理論。但由于當時英國和德國是交戰(zhàn)的雙方，英國人反德情緒分外激烈，而愛丁頓卻是位和平主義者，他因拒絕參戰(zhàn)而受到激烈攻擊，成為當局監(jiān)視的對象。

因此由他縱然想出面申請1919年的日食觀測，也幾乎不可能獲準通過。這時另一位科學家站出來了——英國格林威治天文臺的弗蘭克戴森（Frank Dyson）。

戴森也是一位著名的天文學家，1889年畢業(yè)于劍橋大學，終生在英國皇家天文臺工作（格林尼治和愛丁堡天文臺），參加過自1900年以來的多次日食觀測，觀測經(jīng)驗十分豐富。他提出組織一個日食觀測隊觀測1919年5月日食，并且希望由愛丁頓來領導觀測隊，但是政府工作人員則不同意。戴森試圖用國家榮譽打動他們：愛丁頓是唯一能夠證明是德國愛因斯坦還是英國人牛頓的理論正確之人。

聽聞此言，戰(zhàn)爭辦公室松了口，同意由戴森組隊，愛丁頓參加此次觀測。他們對愛丁頓發(fā)出通知，說不管他是否愿意，他必須參加戴森的日食觀測隊，這是對愛丁頓堅持和平主義觀點的“懲罰”。

這樣的“懲罰”，愛丁頓自然欣然執(zhí)行。

愛丁頓和愛因斯坦歷史性的會面

1919年日食比賽

經(jīng)過討論后，英國派出兩支日食觀測隊，一支到南美洲巴西的索布拉，由戴森領隊；一支到非洲西岸的普林西比島，由愛丁頓領隊。兩個觀測隊各攜帶一臺33厘米口徑的天體照像儀，巴西觀測隊還多帶了一臺10厘米口徑的光學望遠鏡。

這時，曾于1914年去往俄國觀測日食，卻無功而返的坎貝爾得到風聲，聽說英國人已經(jīng)開始行動，他知道通過觀測日食驗證相對論的比賽加入了強勁的對手。

在此之前，1918年6月美國有一次日食，給了美國天文學家一次得天獨厚的機會，但仍然因為受天空布滿云彩，坎貝爾派去的觀測隊只獲得很少的照片，無法證實愛因斯坦的光線偏折之理論。

因此，當1918年11月戰(zhàn)爭一結束，坎貝爾就催促里克天文臺的另一位科學家科蒂斯趕快準備，也去參加這一觀測活動。

雖然戰(zhàn)爭已經(jīng)在1918年11月結束，但一切都很混亂。在普林西比島活動最好的時間是6月到9月，因為其他時間都十分悶熱。但觀測隊必須提前到達觀測點做各種準備，因此愛丁頓觀測隊于1919年4月下旬就到達了普林西比島，在悶熱天氣、暴雨襲擊和蚊蟲叮咬下做準備工作，等待5月19日下午2點15分開始的5分鐘日食。他們擔心的是：當天會不會又像以前幾次那樣，烏云密布甚至寶玉傾盆呢？

在日食那天的早上，普林西比島還是風雨交加，但到日食時卻風住雨停，天氣變得很好，愛丁頓拍了多張照片，但僅有2張顯示出恒星的圖像。

而當時巴西的索布拉天氣很好，戴森考察隊一共拍攝了26張底片，其中19張由格林尼治皇家天文臺的天體照相儀拍攝拍，這架專門用于天體照相的儀器所拍攝底片質量卻較差，另一架4 英寸的小望遠鏡拍攝了7 張底片倒是很清楚銳利，但是尺度更小。在理想情況下，相對論效應僅導致在底片上1/60毫米的位移，只有恒星圖像直徑的1/4。因此照片尺度越小，進行計算就越為困難。

“愛因斯坦是正確的”

經(jīng)過計算，索布拉觀測隊如果按照后7張底片計算，光線偏折值遠遠大于愛因斯坦的預言值。因此最后公布的值是所有26張底片的平均值，結果是1.98±0.12角秒；普林西比隊的結果是1.61±0.30角秒，都與愛因斯坦理論預估的1.75角秒不相同。

愛丁頓與戴森討論后，以加權方式定出光線偏折為1.64角秒的結論，與愛因斯坦的預言比較接近。1919年11月戴森在英國皇家學會和皇家天文學會上宣布：這次遠征隊的觀測結果支持愛因斯坦的理論，還在皇家學會會刊上發(fā)表了一份報告《1919年5月日全食觀測證實太陽引力場對光線的偏折作用》（“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）。

這一發(fā)現(xiàn)宣布之前幾天，洛倫茲就打電報給愛因斯坦說：“愛丁頓發(fā)現(xiàn)太陽邊緣的恒星位移。恭喜恭喜。洛倫茲。”愛因斯坦得知后，迅速給母親寫信報告英國日食觀測隊證實了他的理論，并說，“我從來沒有想過會是別的結果”。

在英國皇家天文學會宣布結果后，倫敦《泰晤士報》于11月7日發(fā)出頭版頭條新聞，以大大的黑體字寫道：“科學的革命：牛頓思想被推翻。”而《紐約時報》則以“光線在宇宙中彎曲”為標題進行了報道。

隨著媒體的廣泛報道，愛因斯坦迅速變成一名大眾科學偶像——關于宇宙的精妙的思想，竟然可以通過一次日食驗證，這本身就充滿了神秘的魅力。從此他擁有了無數(shù)采訪者、仰慕者，當然也有誹謗者。他接到無數(shù)演講邀請，一次演講就可以得到2000馬克。同時“相對論”成為了普通人中的熱門話題，在1917年到1922年之間，他的《狹義和廣義相對論淺談》至少出了14版，銷售65000冊之多，他因此得到的版稅超過25000馬克。他這幾年通過講座和出書等得到的收入超過了他在科學院和威廉皇帝研究所薪水的總和。

盡管英國的“權威”科學機構英國皇家學會進行聲明，但是科學界內仍然有陣陣質疑的聲浪，不少人懷疑愛丁頓和戴森發(fā)表的結果，甚至說日食觀測結果是“經(jīng)過愛丁頓烹調的”。為此，戴森還公開了原始底片的拷貝。

愛因斯坦得到1921年諾貝爾獎。

余音

從現(xiàn)在看來，當時的宣布是不無草率的，因為在檢驗光線彎曲這樣一個復雜的觀測中，導致誤差的一個重要因素是溫度。溫度變化導致大氣擾動的模型發(fā)生變化、望遠鏡聚焦系統(tǒng)發(fā)生變化、照相底片的尺寸因熱脹冷縮而發(fā)生變化，這些變化將導致系統(tǒng)誤差大大增加。

愛丁頓他們也認識到了溫度變化對儀器精度的影響，他們在報告中說，小于10°F（5.5°C）的溫差是可以忽略的。但是索布拉夜晚溫度為75°F(23.8°C)，白天溫度為97°F(36.1°C)，晝夜溫差達22°F(12.2°C)。

后來研究人員考慮了溫度變化帶來的影響，重新測算了索布拉的底片，最大的光線偏折量可達2.16±0.14角秒，但是并未向外公布，先前證實愛因斯坦相對論的宣布仍然未被撤銷。

這次觀測結果被匆忙當作相對論的驗證，或許部分是因為人們剛剛在戰(zhàn)爭的黑暗年代度過了4年，需要一點振奮人心的東西。此外還有對證明宇宙之神奇的渴望，以及由英國天文學家來證實德國人的理論，說明科學無國界的希望。而相對論的“神奇色彩”，以及愛因斯坦作為一個“夢想家”形象也對此推波助瀾。

但在英國科學家證明了愛因斯坦的相對論幾十年后，爭論仍然不斷。尤其是美國的科學家，在對愛因斯坦的廣義相對論持懷疑和反對的天文學家中，坎貝爾最有代表性。他是一位相信“觀測事實是判斷理論是否正確的”的科學家，盡管參加過多次以檢驗愛因斯坦理論為目的的日食觀測，但他始終沒有找到“證據(jù)”。1919年，坎貝爾就曾在皇家天文學會上警告說，觀測數(shù)據(jù)有誤差，愛因斯坦理論可能不正確。

他的觀點在美國天文學家中很具有代表性，他們不承認英國皇家天文臺的權威性，又沒有得到令人信服的觀測數(shù)據(jù)，于是他們對相對論又抗拒了十多年。盡管1921年2月17日，連《自然》雜志都發(fā)文，確立了廣義相對論的地位。

1922年，坎貝爾又一次為觀測日食來到澳大利亞，周密地準備使觀測精度有了提高，他得到的結果是1.72±0.11角秒。這一的觀測結果證實了愛因斯坦理論的正確性，坎貝爾立刻承認廣義相對論的科學性。爾后1929年、1936年、1947年和1952年日食時，各國天文學家都組織了檢驗光線彎曲的觀測，到20世紀60年代初，天文學家開始確信太陽對星光有偏折，并認為愛因斯坦預言的偏折量比牛頓力學所預言的更接近于觀測。歷時將近40年后，關于廣義相對論中光線偏折問題的爭論終于塵埃落定。