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今天是2019年5月29日 這是饅頭說(shuō)第 365 篇文章 在人類科學(xué)史上 關(guān)于“日全食”的觀測(cè)做過(guò)無(wú)數(shù)次 但可能沒(méi)有一次 像今天講的這次那么有名 【今日由頭】 1919年5月29日 愛(ài)丁頓進(jìn)行日全食觀測(cè) 1 我們的故事，從1905年開(kāi)始。 1905年，對(duì)于人類科學(xué)文明史而言，是一個(gè)永遠(yuǎn)值得銘記的年份。 在這一年，瑞士伯爾尼專利局有一個(gè)普通技術(shù)員，發(fā)表了關(guān)于“量子論”的論文，創(chuàng)造性地用“光量子假說(shuō)”解決了“光電效應(yīng)”問(wèn)題；這年4月，他在蘇黎世大學(xué)提交了自己的博士畢業(yè)論文《分子大小的新測(cè)定法》；一個(gè)月后，他又遞交了另一篇論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，獨(dú)立而完整地提出了一個(gè)世人聞所未聞的理論：“狹義相對(duì)性原理”——我們現(xiàn)在稱之為“狹義相對(duì)論?！?/p> 沒(méi)錯(cuò)，這個(gè)人，就是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦。
在愛(ài)因斯坦創(chuàng)立“狹義相對(duì)論”之后的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，他一直試圖把之前人類物理世界最經(jīng)典的一套理論納入到自己的理論體系中來(lái)，那就是牛頓的“萬(wàn)有引力”體系。但是，經(jīng)歷了整整7年的嘗試，愛(ài)因斯坦遭受了各種各樣的失敗，始終無(wú)法如愿。 到了1912年的時(shí)候，屢戰(zhàn)屢敗的愛(ài)因斯坦?jié)u漸意識(shí)到了問(wèn)題的根本性所在——他的“狹義相對(duì)論”根本容納不了“萬(wàn)有引力”理論。 在這一年，愛(ài)因斯坦又發(fā)表了一篇論文，探討如何將重力場(chǎng)用幾何的語(yǔ)言來(lái)描述。其實(shí)在這個(gè)時(shí)候，愛(ài)因斯坦已經(jīng)無(wú)限接近自己下一個(gè)劃時(shí)代的研究成果——“廣義相對(duì)論”。 關(guān)于“廣義相對(duì)論”，有一句著名的形容： “理論家的天堂，實(shí)驗(yàn)家的地獄。” 這句話的意思是指，“廣義相對(duì)論”從理論上看驚為天人，完美無(wú)缺，但是要從實(shí)驗(yàn)上證明，卻非常困難，因?yàn)檫@個(gè)理論以宇宙作為背景，實(shí)在太宏大了，在當(dāng)時(shí)的時(shí)代環(huán)境下，只有在有限且非常極端的實(shí)驗(yàn)條件下，才有可能做出一些證明。 所以，當(dāng)愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)提出這些理論的時(shí)候，外界普遍保持沉默，其實(shí)更多的是懷疑——無(wú)法用實(shí)驗(yàn)證明的理論，你憑什么說(shuō)它是正確的？ 愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)反復(fù)思考和計(jì)算，提供了幾個(gè)可以供天文實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的推論，比如水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)問(wèn)題，光譜線在強(qiáng)引力場(chǎng)中的紅移等等。 第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，愛(ài)因斯坦其實(shí)是成功證明了，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，在當(dāng)時(shí)的條件下無(wú)法證明，所以關(guān)鍵就要看第三個(gè)實(shí)驗(yàn)，也是愛(ài)因斯坦理論的一個(gè)重要論述——光線在強(qiáng)引力場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
以地球?yàn)榄h(huán)境，愛(ài)因斯坦所能想到的物體都太小了，根本沒(méi)有質(zhì)量足夠大的物體能夠證明他“光線偏轉(zhuǎn)”的理論，怎么辦？ 愛(ài)因斯坦想到了一個(gè)合適的實(shí)驗(yàn)對(duì)象：太陽(yáng)。 太陽(yáng)的體量足夠巨大，如果能證明貼近太陽(yáng)的光線會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那就證明了愛(ài)因斯坦理論的正確性。 那么，在20世紀(jì)初的時(shí)候，有沒(méi)有科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段能驗(yàn)證這一點(diǎn)？ 有的。那就是“日全食”。 2 雖然想出了驗(yàn)證辦法，但愛(ài)因斯坦很快陷入了焦慮。 要從觀測(cè)“日全食”中得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，就必須得到天文臺(tái)和天文學(xué)家的幫助。愛(ài)因斯坦推算出下一次日全食發(fā)生的日期，是1914年的8月21日。他隨即給全世界各地的天文臺(tái)發(fā)去了信函，征詢他們是否有興趣通過(guò)屆時(shí)的日全食觀測(cè)，幫助驗(yàn)證關(guān)于他“光線在通過(guò)近日引力點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)”的理論。 信都發(fā)出去了，卻如同石沉大海，都沒(méi)有回音。 最終，已經(jīng)從瑞士蘇黎世移居到德國(guó)柏林并擔(dān)任威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)的愛(ài)因斯坦，決定派出自己最得力的年輕助手，同樣也是科學(xué)家的埃爾文·弗洛因德里希（Erwin Freundlich），組織一支德國(guó)觀測(cè)隊(duì)前去觀測(cè)，而當(dāng)時(shí)最佳的觀測(cè)地點(diǎn)是俄國(guó)的克里米亞半島。 之后，美國(guó)的天文學(xué)家威廉·坎貝爾（William Campbell）也自告奮勇地表示參加。一行人整理好行囊，就前往了俄國(guó)。 但是，意外發(fā)生了。 1914年6月28日，奧匈帝國(guó)皇儲(chǔ)斐迪南大公在薩拉熱窩遇刺，一個(gè)月后，奧匈帝國(guó)向塞爾維亞宣戰(zhàn)，德國(guó)、意大利、英國(guó)、法國(guó)、俄國(guó)相繼代表各自陣營(yíng)參加了戰(zhàn)爭(zhēng)—— 卷入6500萬(wàn)人口的第一次世界大戰(zhàn)，全面爆發(fā)。
戰(zhàn)爭(zhēng)一爆發(fā)，愛(ài)因斯坦就知道事情不妙，因?yàn)榈聡?guó)和俄國(guó)相互宣戰(zhàn)，成了交戰(zhàn)國(guó)。他在給友人的一封信中寫(xiě)道： “我親愛(ài)的天文學(xué)家弗羅因德利希會(huì)在俄國(guó)成為戰(zhàn)俘，而不是去那里觀測(cè)日食。我為他擔(dān)憂?！?/span> 愛(ài)因斯坦一語(yǔ)成讖。 帶著各種探測(cè)儀器的弗洛因德里希一行，在克里米亞半島被俄國(guó)軍隊(duì)當(dāng)作敵方間諜抓了起來(lái)。美國(guó)天文學(xué)家坎貝爾來(lái)自中立國(guó)，所以被放了出來(lái)，而自弗洛因德里希以下，所有的德國(guó)人直到第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，才作為戰(zhàn)俘被交還德國(guó)。 僥幸被放出來(lái)的坎貝爾沒(méi)有放棄，在8月21日試圖繼續(xù)進(jìn)行日全食的觀測(cè)，但那一天克里米亞半島和歐洲大陸上空的大戰(zhàn)氣氛一樣陰云密布，太陽(yáng)始終沒(méi)有出現(xiàn)。 盡管愛(ài)因斯坦也陷入了失去同事的悲傷中，但他有了一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)： 自己的計(jì)算出現(xiàn)了問(wèn)題——他原來(lái)計(jì)算光線在太陽(yáng)附近發(fā)生偏折的彎曲值是0.87弧秒，但這是錯(cuò)誤的，修正后的數(shù)值應(yīng)該是1.75弧秒，差了一倍。
如果弗洛因德里希的那次日全食觀測(cè)成功，反而會(huì)是一次證明愛(ài)因斯坦錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)。 1915年，愛(ài)因斯坦在原有的基礎(chǔ)上，完整提出了“廣義相對(duì)論”。 世界為之震驚，但同時(shí)又為之懷疑，還是那個(gè)老問(wèn)題——怎么證明？ 愛(ài)因斯坦提出，通過(guò)日全食觀測(cè)還是最好的一個(gè)檢測(cè)方法。 根據(jù)推測(cè)，下一次最佳日全食的觀測(cè)時(shí)間是1919年的5月29日。 但愛(ài)因斯坦提出想法的時(shí)候，歐洲已經(jīng)陷入了一片戰(zhàn)火之中，各國(guó)之間完全殺紅了眼，所有的一切都已經(jīng)為戰(zhàn)爭(zhēng)讓道。 誰(shuí)會(huì)為他去觀測(cè)日全食？ 3 這時(shí)候，一位叫愛(ài)丁頓的英國(guó)人站了出來(lái)：我去！ 亞瑟·斯坦利·愛(ài)丁頓，他并不是一個(gè)普通人。 愛(ài)丁頓1882年出生于英國(guó)，幼年喪父，跟隨母親學(xué)習(xí)，之后展現(xiàn)出了驚人的數(shù)學(xué)天賦。1905年，也就是愛(ài)因斯坦提出“狹義相對(duì)論”的那一年，愛(ài)丁頓獲得了劍橋大學(xué)三一學(xué)院的碩士學(xué)位，1913年獲得劍橋大學(xué)天文學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的終身教授（他的這一職位前任是達(dá)爾文的兒子），1914年成為了劍橋大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)。 1915年，愛(ài)丁頓了解到了愛(ài)因斯坦的“廣義相對(duì)論”，瞬間就被這套理論所折服，并深深癡迷。事實(shí)上，愛(ài)丁頓成為了當(dāng)時(shí)世界上極為少數(shù)能看懂愛(ài)因斯坦“相對(duì)論”的科學(xué)家。 據(jù)說(shuō)曾經(jīng)有人問(wèn)愛(ài)丁頓一個(gè)問(wèn)題： “您覺(jué)得這個(gè)世界上懂相對(duì)論的人會(huì)超過(guò)三個(gè)人嗎？” 愛(ài)丁頓想了一下回答： “事實(shí)上，我正在想第三個(gè)人究竟是誰(shuí)?！?/span>
在了解到觀測(cè)日全食能夠驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的相對(duì)論之后，愛(ài)丁頓毫不猶豫地站出來(lái)，表示自己愿意帶領(lǐng)一支隊(duì)伍去進(jìn)行日全食的觀測(cè)。 但是，其實(shí)愛(ài)丁頓那時(shí)候自身難保。 1917年，經(jīng)歷了煉獄一般的索姆河戰(zhàn)役之后，傷亡近60萬(wàn)人的英國(guó)急需青壯年入伍補(bǔ)充兵源缺口，而當(dāng)時(shí)的愛(ài)丁頓才34歲，完全符合入伍條件。但愛(ài)丁頓因?yàn)樽诮绦叛?，是一個(gè)和平主義者，他不僅拒絕入伍，還提出要組織一支考察隊(duì)去進(jìn)行日全食的觀測(cè)。 在當(dāng)時(shí)的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下，拒絕為國(guó)家入伍上戰(zhàn)場(chǎng)，會(huì)遭遇各方面的歧視乃至羞辱。但愛(ài)丁頓堅(jiān)持要繼續(xù)從事科學(xué)研究。他的一些科學(xué)家好朋友開(kāi)始出動(dòng)為他游說(shuō)，結(jié)果皇家天文學(xué)家戴森不僅憑借自己和英國(guó)海軍部的關(guān)系幫他做了調(diào)停，并且還給出了一個(gè)說(shuō)服英國(guó)政府支持他朋友愛(ài)丁頓去觀測(cè)日全食的理由： 通過(guò)這場(chǎng)日全食觀測(cè)，可以證明愛(ài)因斯坦的理論到底是否正確，是否會(huì)挑戰(zhàn)本國(guó)偉大科學(xué)家牛頓的“萬(wàn)有引力”理論。
結(jié)果，政府和愛(ài)丁頓達(dá)成了一個(gè)約定：如果這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)能在1919年5月之前結(jié)束，那么就允許他帶著隊(duì)伍去進(jìn)行觀測(cè)。 1918年11月11日，精疲力盡的歐洲各國(guó)宣布停戰(zhàn)，第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束了。 在短短的半年時(shí)間里，英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)為愛(ài)丁頓做好了各項(xiàng)準(zhǔn)備。 1919年5月29日的這場(chǎng)日全食將出現(xiàn)在南半球中緯度地區(qū)，在這一天，太陽(yáng)將正好處在易于觀測(cè)的壁宿星團(tuán)——愛(ài)丁頓甚至認(rèn)為，如果錯(cuò)過(guò)這次絕佳機(jī)會(huì)，可能要再等上千年。 為了取得最佳觀測(cè)效果并保證萬(wàn)無(wú)一失，英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)等考察隊(duì)兵分兩路：一支隊(duì)伍由戴森帶領(lǐng)，去巴西的索布拉爾（Sobral)，一支隊(duì)伍由愛(ài)丁頓親自帶隊(duì)，去西非的普林西比島（Principe）。
隊(duì)伍觀測(cè)目的很明確： 如果屆時(shí)測(cè)出的偏轉(zhuǎn)值是1.75弧秒，那么愛(ài)因斯坦的“相對(duì)論”將被正式承認(rèn)。 如果屆時(shí)測(cè)出的偏轉(zhuǎn)值是0.87弧秒，那么牛頓的“萬(wàn)有引力”理論依舊正確。 在出發(fā)前，有一名考察隊(duì)員問(wèn)戴森： “如果屆時(shí)測(cè)出的偏轉(zhuǎn)值，是愛(ài)因斯坦計(jì)算結(jié)果的兩倍怎么辦？” 戴森回答： “那愛(ài)丁頓肯定會(huì)發(fā)瘋的?！?/span> 4 愛(ài)丁頓的那支隊(duì)伍，在1919年4月終于趕到了普林西比島。 到了島上之后，愛(ài)丁頓發(fā)現(xiàn)自己低估了這次考察的困難程度： 島上天氣悶熱，蚊蟲(chóng)肆虐，環(huán)境非常艱苦。而最要命的是，整個(gè)五月雨水不斷，烏云密布。就在5月29日當(dāng)天，還下了一場(chǎng)大暴雨，沮喪的愛(ài)丁頓幾乎要選擇放棄。他在1920年出版的《空間、時(shí)間和引力》一書(shū)中用詩(shī)句的方式記錄了當(dāng)時(shí)的緊張心情： “里里外外，上下四周， 除了魔影，別無(wú)所有。 戲在暗盒中演，太陽(yáng)權(quán)為燭火; 我們圍繞著它，幻影似地奔走?！?/span> 但就在日全食開(kāi)始前的幾小時(shí)，天空卻開(kāi)始晴朗起來(lái)。愛(ài)丁頓的隊(duì)伍趕緊忙碌起來(lái)，開(kāi)始記錄日全食。 在日全食的整個(gè)過(guò)程中，愛(ài)丁頓非常緊張，幾乎沒(méi)有抬頭去望一眼天空，而是不斷地在換底片。他們一共拍下了16張照片，但其中只有一張成像非常清晰。
經(jīng)過(guò)緊張的計(jì)算，他們根據(jù)這張照片得出的光線偏轉(zhuǎn)值，是1.61弧秒。 拋去誤差，這個(gè)數(shù)值明顯接近愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)的1.75弧秒。 但還不能就此下結(jié)論。 那支遠(yuǎn)征巴西的戴森隊(duì)伍怎么樣了呢？ 他們倒是碰到了非常晴朗的天氣，隨后也得到了觀測(cè)的數(shù)值，但是有兩個(gè)：0.89弧秒和1.98弧秒。 0.89弧秒是戴森團(tuán)隊(duì)用原來(lái)準(zhǔn)備的天文望遠(yuǎn)鏡拍攝的，但由于當(dāng)?shù)氐母邷爻隽怂麄兊南胂?，所以器材有些曬得變形了?br> 1.98弧秒是他們用備用的一架較小的望遠(yuǎn)鏡測(cè)得的。 三組數(shù)據(jù)中，愛(ài)丁頓舍棄了戴森他們用變形器材得到的那組0.89弧秒的數(shù)據(jù)。 這也就證明，“相對(duì)論”是正確的。 在那一刻，愛(ài)丁頓激動(dòng)異常： “愛(ài)因斯坦的理論經(jīng)受住了考驗(yàn)！”
5 1919年11月16日下午，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)在倫敦舉行了聯(lián)席會(huì)議。 在這場(chǎng)會(huì)議上，所有的權(quán)威聽(tīng)取了愛(ài)丁頓關(guān)于日全食觀測(cè)和計(jì)算的報(bào)告。 在聽(tīng)取報(bào)告之后，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)主席湯普森（電子的發(fā)現(xiàn)者）正式宣布： “廣義相對(duì)論”得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，是正確的。 同時(shí)，湯普森表示： “愛(ài)因斯坦的科學(xué)思想是這個(gè)時(shí)代的最高成就?！?/span> 愛(ài)因斯坦一戰(zhàn)封神。 據(jù)說(shuō)，得到消息的愛(ài)因斯坦其實(shí)并沒(méi)有太激動(dòng)。他的學(xué)生羅森塔爾問(wèn)他： “如果你的理論被證明是不對(duì)的，你會(huì)怎樣？” 愛(ài)因斯坦笑了笑： “那我只能為上帝感到遺憾了，因?yàn)槲业睦碚摽隙ㄊ菍?duì)的。” 但另一個(gè)流傳的版本是，其實(shí)愛(ài)因斯坦對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果很緊張，一直在打探消息。 真正鎮(zhèn)定的倒是愛(ài)丁頓。他在聽(tīng)說(shuō)愛(ài)因斯坦焦急等待結(jié)果時(shí)說(shuō)： “看來(lái)愛(ài)因斯坦還是不太懂他自己的相對(duì)論?。 ?/span>
【饅頭說(shuō)】 這個(gè)故事最吸引我的，其實(shí)不是整個(gè)日全食觀測(cè)的過(guò)程，而是另一些東西。 席卷全歐洲的第一次世界大戰(zhàn)，盡管爆發(fā)得有些莫名其妙，但列強(qiáng)之間當(dāng)時(shí)確實(shí)是殺紅了眼的。尤其是經(jīng)過(guò)凡爾登和索姆河兩大著名的“絞肉機(jī)”戰(zhàn)役，英法和德國(guó)已經(jīng)到了勢(shì)不兩立的地步。 所以對(duì)英國(guó)而言，出生在德國(guó)的愛(ài)因斯坦，就是一個(gè)敵國(guó)的科學(xué)家。 更讓人有些不可思議的是，英國(guó)的科學(xué)家不僅僅是要幫助德國(guó)的科學(xué)家，而且是要推翻本國(guó)一直引以為榮的科學(xué)泰斗的理論。 牛頓作為原英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)長(zhǎng)，長(zhǎng)期以來(lái)是世界頂級(jí)的物理學(xué)家，也是被英國(guó)人視為“國(guó)寶”的科學(xué)家。而現(xiàn)在，一群英國(guó)的科學(xué)家，克服種種阻力甚至突破戰(zhàn)爭(zhēng)的障礙，要幫助一個(gè)敵對(duì)國(guó)家的科學(xué)家證明他的理論，以驗(yàn)證本國(guó)科學(xué)家的理論是錯(cuò)誤的。 站在這個(gè)角度看，這次日全食觀測(cè)堪稱偉大。 當(dāng)愛(ài)丁頓為愛(ài)因斯坦理論與人爭(zhēng)辯的時(shí)候，當(dāng)戴森為考察隊(duì)能夠成行想盡辦法的時(shí)候，當(dāng)湯普森當(dāng)眾宣布愛(ài)因斯坦是正確的時(shí)候，那一個(gè)個(gè)瞬間，確實(shí)讓人動(dòng)容。 根據(jù)當(dāng)時(shí)在場(chǎng)人的記錄，那場(chǎng)宣布愛(ài)因斯坦理論被證明的會(huì)議，會(huì)議室的背景墻上，掛著一副巨大的牛頓肖像。 我們都知道一句話： “科學(xué)沒(méi)有國(guó)界，但科學(xué)家有自己的祖國(guó)?！?/span> 沒(méi)錯(cuò)，但倒過(guò)來(lái)一樣也是一句偉大的話： “科學(xué)家有自己的祖國(guó)，但科學(xué)沒(méi)有國(guó)界。” 本文主要參考來(lái)源： 1、《愛(ài)丁頓與廣義相對(duì)論的驗(yàn)證》（侯新杰，陳曉莉，《大學(xué)物理》，2006年7月30日） 2、《日食觀測(cè)與廣義相對(duì)論的驗(yàn)證》（李良，《現(xiàn)代物理知識(shí)》，2018年10月18日） 3、《1919年5月29日:愛(ài)丁頓觀察日食以檢驗(yàn)廣義相對(duì)論》（蕭如珀， 楊信男，《現(xiàn)代物理知識(shí)》（2018年6月25日） 4、《愛(ài)丁頓不會(huì)發(fā)瘋的》（卞毓麟，《科普時(shí)報(bào)》，2019年4月12日） 5、《改變歷史的日全食》（微信公號(hào)：“嚴(yán)鋒老師”，2017年3月18日） 6、《愛(ài)丁頓與廣義相對(duì)論》（郭建福，《物理教師》，2016年第37卷第8期） 7、《用實(shí)驗(yàn)證明廣義相對(duì)論的人——愛(ài)丁頓》（52數(shù)學(xué)網(wǎng)，2019年4月29日） 8、《太陽(yáng)的故事》（盧昌海，清華大學(xué)出版社，2011年） 9、《電影中的科學(xué)家之：〈愛(ài)因斯坦與愛(ài)丁頓〉與沖突的呈現(xiàn)》（張九慶，《科學(xué)》，2018年05期） |
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