小數(shù)據(jù)助力愛(ài)因斯坦預(yù)言光彎曲

1911年6月，愛(ài)因斯坦在德國(guó)的《物理年鑒》上發(fā)表了《關(guān)于引力對(duì)光傳播的影響》。在該論文中，他根據(jù)等效原理預(yù)言，光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)邊緣要偏轉(zhuǎn)0.83″。4年后的1915年，他又在《普魯士學(xué)院會(huì)議報(bào)告》上發(fā)表了另一篇有關(guān)廣義相對(duì)論的論文，用完整的廣義相對(duì)論修正為1.75″。

愛(ài)因斯坦的手稿。2019年3月14日是愛(ài)因斯坦誕辰140周年。以色列希伯萊大學(xué)為此首次展出了他的110份手稿，其中大部分從未展出過(guò)。

接下來(lái)的故事科學(xué)界所共知。1919年，英國(guó)派出了兩個(gè)遠(yuǎn)征隊(duì)，去觀測(cè)當(dāng)年5月29日發(fā)生的日全食。一隊(duì)由英國(guó)皇家學(xué)會(huì)派出，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓率領(lǐng)，到西非幾內(nèi)亞灣普林西比島觀測(cè)。另一隊(duì)由英國(guó)天文學(xué)會(huì)派出，克魯梅林帶隊(duì)，到巴西索布臘爾鎮(zhèn)觀測(cè)。兩隊(duì)各自的觀測(cè)結(jié)果，在同年11月6日同時(shí)公布：光線經(jīng)過(guò)位于金牛座的太陽(yáng)附近時(shí)，偏轉(zhuǎn)角分別為1.61″±0.30″和1.98″±0.12″——與愛(ài)因斯坦的預(yù)言非常接近，這一驗(yàn)證在全世界引起極大的轟動(dòng)。

還有更精密的驗(yàn)證。1922年9月21日，美國(guó)利克天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)威廉·華萊士·坎貝爾和美國(guó)天文學(xué)家羅伯特·朱利葉斯·特魯普勒，通過(guò)對(duì)當(dāng)天日全食的觀測(cè)，得到的偏轉(zhuǎn)角為1.72″——更接近1.75″。

光線要彎曲的驗(yàn)證還有很多。例如，雷達(dá)回波的延遲——在1964～1968年間，以美國(guó)物理學(xué)家夏皮羅為首的研究小組，先后對(duì)水星、金星與火星進(jìn)行雷達(dá)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電波經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)也會(huì)彎曲，使電波傳播時(shí)間延長(zhǎng)，而且觀測(cè)結(jié)果與愛(ài)因斯坦的理論預(yù)言一致。后來(lái)，還有人用人造天體作為反射靶，并改善了實(shí)驗(yàn)精度，結(jié)果與預(yù)言的理論值相差僅約1%。

由于光線在大質(zhì)量天體附近彎曲，使得觀察者可以看見(jiàn)在空間中被大質(zhì)量天體所遮擋的光源。如果從觀測(cè)者到光源的視線上有一個(gè)大質(zhì)量的前景天體，則會(huì)在光源的兩側(cè)形成兩個(gè)像，就像有一面透鏡放在觀測(cè)者和天體之間一樣，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“引力透鏡效應(yīng)”。愛(ài)因斯坦的這一預(yù)言，也在一個(gè)世紀(jì)后的2017年被驗(yàn)證。當(dāng)年6月7日，美國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的天文學(xué)家凱拉什·薩胡領(lǐng)銜的一個(gè)國(guó)際科研小組在美國(guó)《科學(xué)》雜志上說(shuō)，借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，他們直接觀測(cè)到一顆白矮星的引力扭曲了其身后一顆星球的光線。

愛(ài)因斯坦在1936年發(fā)表的一篇研究論文中還預(yù)測(cè)，利用發(fā)生“引力透鏡效應(yīng)”時(shí)觀測(cè)到的偏移距離，可以直接計(jì)算出前方星球的質(zhì)量，這被稱(chēng)作“天體測(cè)量透鏡”。在2013～2015年間，凱拉什·薩胡領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)8次把哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)一顆快速移動(dòng)的白矮星Stein2051B，研究觀測(cè)的結(jié)果表明，在距離地球大約18光年的這顆白矮星的引力作用下，其身后的星球的觀測(cè)位置與實(shí)際位置相距大約（2×10^-3）″，據(jù)此計(jì)算出該白矮星的質(zhì)量為太陽(yáng)的68%。

水星“反?！狈欠闯?/p>

根據(jù)1847年天文觀測(cè)和計(jì)算的結(jié)果，水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)是每100年轉(zhuǎn)過(guò)5600.73″。用牛頓力學(xué)考慮各種因素之后，只有其中的5557.62″能夠解釋——90%為坐標(biāo)系的歲差引起，其余部分由行星（特別是金星、地球和木星）的攝動(dòng)引起，還有43.11″（稱(chēng)為“剩余進(jìn)動(dòng)”——以下取常用的近似值43″）卻無(wú)法解釋。1°是1個(gè)圓周角的1/360，1°的1/3600是1″，可見(jiàn)43″多么小。

1859年，法國(guó)天文學(xué)家勒威耶測(cè)算的“剩余進(jìn)動(dòng)”是38″。他根據(jù)自己在1846年發(fā)現(xiàn)海王星的“經(jīng)驗(yàn)”，認(rèn)為這38″可能是未知的“水內(nèi)行星”的引力所致。由于一直未發(fā)現(xiàn)“水內(nèi)行星”，所以他的這一猜測(cè)并不成立。

1882年，出生在加拿大的美國(guó)天文學(xué)家紐康重新測(cè)算后，得出正確的“剩余進(jìn)動(dòng)”是43″——勒威耶的38″有誤。紐康認(rèn)為，有可能是水星發(fā)出的黃道光的彌漫物質(zhì)使其運(yùn)動(dòng)受到阻力。但這又不能解釋為什么其他幾顆行星也有類(lèi)似的多余進(jìn)動(dòng)；于是，他就懷疑引力是否服從“平方反比”——萬(wàn)有引力定律再次面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。后來(lái)，曾陸續(xù)提出一些理論來(lái)解釋這相差的43″，但都沒(méi)能成功。于是，這43″被稱(chēng)為“水星近日點(diǎn)的‘反?！M(jìn)動(dòng)”，成為天文學(xué)家們的“43″之謎”。

到了20世紀(jì)，愛(ài)因斯坦出場(chǎng)了。他在1916年計(jì)算出了水星的“剩余進(jìn)動(dòng)”是每100年43″。這不但和上述43″一致，而且與1975年的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)每100年（41.4±0.9）″基本相符。

就這樣，憑借“小數(shù)據(jù)”43″，愛(ài)因斯坦破解了“43″之謎”——水星的“反?！狈欠闯！２坏绱?，后來(lái)測(cè)到的金星、地球和小行星伊卡魯斯的多余進(jìn)動(dòng)，也都與理論計(jì)算基本相符。

“山水一程又一程”之后的引力波

1916年3月20日，愛(ài)因斯坦的論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》以單行本的形式在《物理年鑒》上正式發(fā)表，其中提出了引力波的概念，并預(yù)言存在引力波。

然而，引力波太難探測(cè)到了。這是為什么呢？

太難探測(cè)的第一個(gè)主要原因是引力波極其微弱。例如，地球繞太陽(yáng)以大約30千米/秒的平均速度運(yùn)行，發(fā)出的引力波功率僅約200瓦（小于一般家用電飯煲的功率）。引力波功率微弱，就導(dǎo)致振幅微小——小到探測(cè)精度要達(dá)到10^-21米，即要能夠在1000米的距離上感知10^-18米的變化！第二個(gè)主要原因是，物質(zhì)對(duì)它的吸收效率極低，這就難以被探測(cè)儀器感知。

1974年，美國(guó)天體物理學(xué)家約瑟夫·霍頓·泰勒與他的學(xué)生拉塞爾·阿蘭·赫爾斯間接證明了引力波的存在，他倆也因此共享1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

愛(ài)因斯坦提出引力波整整一個(gè)世紀(jì)之后，心無(wú)旁騖的科學(xué)界終于直接抓到了“無(wú)影人”。2016年2月11日當(dāng)?shù)貢r(shí)間10時(shí)30分，在華盛頓特區(qū)國(guó)家媒體中心，由“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）的發(fā)言人——美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)巴吞魯日分校的女物理學(xué)家加布里埃拉·岡薩雷斯宣布：德國(guó)漢諾威馬普學(xué)會(huì)引力物理研究所的LIGO在2015年9月14日17時(shí)50分45秒（北京時(shí)間），首次直接探測(cè)到引力波信號(hào)！這個(gè)信號(hào)，由來(lái)自13億光年之遙的兩個(gè)質(zhì)量分別為36M_⊙（“M_⊙”是“太陽(yáng)質(zhì)量”，1M_⊙=1個(gè)太陽(yáng)的總質(zhì)量≈1.989×10³⁰千克）和29M_⊙的黑洞合并末期發(fā)出。同年12月26日，LIGO又再次直接探測(cè)到另一個(gè)引力波信號(hào)……

左起：韋斯、索恩、巴里什

直接探測(cè)到引力波，完成了廣義相對(duì)論的“最后一塊拼圖”，治好了科學(xué)家們?cè)趶V義相對(duì)論中的“最后心病”。此外，“霍金四大定理”之一的黑洞面積不減定理——在不考慮量子力學(xué)的情況下，合并后的黑洞面積只增不減，也被驗(yàn)證。

又是一個(gè)“秋收的季節(jié)”——這次是在相對(duì)論領(lǐng)域和天體物理學(xué)領(lǐng)域，主角是“無(wú)影英雄”引力波。

為創(chuàng)建LIGO和直接發(fā)現(xiàn)引力波做出重大貢獻(xiàn)的3位美國(guó)科學(xué)家，分享了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：獲一半獎(jiǎng)金的雷納·韋斯、獲1/4獎(jiǎng)金的基普·斯蒂芬·索恩與獲1/4獎(jiǎng)金的巴里·克拉克·巴里什。