愛因斯坦與日食

張慧薇

100年前，阿爾伯特·愛因斯坦是德國(guó)柏林大學(xué)的一名教授，那時(shí)他的名字還沒有家喻戶曉，只為少數(shù)的科學(xué)家、知識(shí)分子和身邊的人所熟知。

1919年5月29日是一個(gè)重要的日子，尤其是對(duì)愛因斯坦來說，就在這一天，當(dāng)月球剛好運(yùn)動(dòng)到太陽(yáng)和地球之間時(shí)，日食證明了愛因斯坦廣義相對(duì)論的正確性，讓愛因斯坦一下子聲名大噪，成為了那個(gè)時(shí)期最具權(quán)威的科學(xué)家。而廣義相對(duì)論也取代了牛頓的引力理論，成為了解釋空間最有力的物理理論。

正值這個(gè)歷史性的日子100年之際，讓我們一起去了解這段歷史吧。

凝視太陽(yáng)

1687年，艾薩克·牛頓發(fā)表了他的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，提出了萬有引力定律：宇宙中相隔一定距離的任意兩個(gè)有質(zhì)量的物體間有引力的作用。根據(jù)牛頓的理論，空間只是一個(gè)固定的背景，引力造成了物體的運(yùn)動(dòng)。在一段時(shí)間內(nèi)，牛頓的萬有引力理論很好地解釋了一些天體的運(yùn)動(dòng)，包括月球繞地球的運(yùn)動(dòng)，甚至還成功預(yù)測(cè)了海王星的軌道。

然而萬有引力定律也有很多問題，最典型的問題就是水星的進(jìn)動(dòng)問題。每個(gè)行星圍繞太陽(yáng)以橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，一般有遠(yuǎn)日點(diǎn)和近日點(diǎn)，這些軌道并不是固定的，以太陽(yáng)為中心，行星軌道會(huì)緩慢地變換位置。行星每轉(zhuǎn)一圈，其近日點(diǎn)便會(huì)發(fā)生偏移，稱之為近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。偏移主要是由歲差和攝動(dòng)引起的，但是利用牛頓定律的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果之間存在著不可忽略的差異。1859年，法國(guó)天文學(xué)家勒威耶發(fā)現(xiàn)這一差異為水星近日點(diǎn)每100年進(jìn)動(dòng)38角秒（角度單位，1度等于3600角秒）;1882年，加拿大天文學(xué)家紐康對(duì)這一數(shù)值進(jìn)行了校正，得出水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)值為每100年43角秒。于是為了解釋水星進(jìn)動(dòng)的現(xiàn)象，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論。

在1915年提出的廣義相對(duì)論中，愛因斯坦對(duì)牛頓提出了直接的挑戰(zhàn)。廣義相對(duì)論拋棄了引力將物體拉到一起的觀點(diǎn)，提出空間和時(shí)間一起形成了一個(gè)四維的東西叫做時(shí)空，而所謂的引力實(shí)際上是物體對(duì)時(shí)空的扭曲，一個(gè)物體的質(zhì)量越大，時(shí)空的變形就越大，它附近的物質(zhì)受到彎曲時(shí)空的影響而向它靠近。在原本平直的時(shí)空上放一個(gè)恒星，時(shí)空發(fā)生彎曲，就像在一張拉直的布上放了一個(gè)重物，而發(fā)生了塌陷一樣。

由于太陽(yáng)的質(zhì)量很大，所以太陽(yáng)附近的時(shí)空就扭曲了，正好造成了水星的進(jìn)動(dòng)，而且愛因斯坦的計(jì)算結(jié)果也剛好符合觀測(cè)結(jié)果。不過，當(dāng)時(shí)的人們還是不認(rèn)同廣義相對(duì)論。

根據(jù)愛因斯坦的理論，光也會(huì)經(jīng)過時(shí)空，在大質(zhì)量天體的附近也會(huì)改變路徑。當(dāng)一個(gè)發(fā)光的天體處在另一個(gè)大質(zhì)量天體后面的時(shí)候，我們也是有機(jī)會(huì)看到它的，只不過由于光線發(fā)生了彎曲，我們看到的天體位置并不是它原本的位置，這便是“引力透鏡”現(xiàn)象。造成光線改變的大質(zhì)量天體叫做透鏡天體，它的周圍常常會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)亮點(diǎn)，有時(shí)也能觀測(cè)到這些亮點(diǎn)連成一個(gè)美麗的圓環(huán)，即“愛因斯坦環(huán)”。在透鏡天體背后發(fā)出光線，并呈多個(gè)亮點(diǎn)的天體，則稱為“源天體”。

在愛因斯坦發(fā)展廣義相對(duì)的10年中，他意識(shí)到太陽(yáng)的質(zhì)量足以使這種效應(yīng)引人注目。當(dāng)然，檢驗(yàn)這個(gè)預(yù)測(cè)并不容易，因?yàn)樘?yáng)光太耀眼了，我們?cè)诎滋炜床坏剿澈蟮男切恰６砩铣霈F(xiàn)的星星并不是太陽(yáng)背后的恒星，所以太陽(yáng)并沒有彎曲它們發(fā)出的光。只有當(dāng)太陽(yáng)出來了，但是它的光被擋住了，人們才能驗(yàn)證愛因斯坦的理論。這也是1911年，愛因斯坦研究廣義相對(duì)論時(shí)，要求天文學(xué)家在日食期間觀測(cè)天空的原因。

搜尋證據(jù)

第一個(gè)試圖驗(yàn)證廣義相對(duì)論的人是德國(guó)天文學(xué)家歐文·芬萊-弗倫德里希。他是一個(gè)悲劇性的人物，一生的大部分時(shí)間都致力于證明愛因斯坦彎曲光線的正確性，但從未成功。芬萊先是分析日食的照片，但是由于照片上的星星不夠清晰，他便籌集了一筆錢前往烏克蘭，因?yàn)樵谀抢锟梢杂^察到1914年的日食。不幸地是，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，俄國(guó)士兵俘虜了芬萊，沒收了他的觀測(cè)儀器。

除了芬萊，來自美國(guó)加州立克天文臺(tái)的天文學(xué)家也試圖在烏克蘭基輔附近拍攝日食，但是卻受到了大自然的阻撓：云層遮住了他們的視線。因此，在1914年，沒有人能幫助愛因斯坦證明他的理論。不過，在這段時(shí)間里，愛因斯坦對(duì)自己理論中的一些小的計(jì)算錯(cuò)誤進(jìn)行了修正，最后出版了完整的廣義相對(duì)論。

后來，一份愛因斯坦理論的副本落到了英國(guó)劍橋天文臺(tái)主任阿瑟·愛丁頓的手中。愛丁頓相信愛因斯坦的理論，與英國(guó)天文學(xué)家弗蘭克·沃森·戴森合作想出了一種解決爭(zhēng)論的方法。

在1919年5月2 9日的日食期間，太陽(yáng)將處于地球和畢星團(tuán)之間。這是一個(gè)明亮的球形星團(tuán)，擁有300多顆成員星。在日食期間，天文學(xué)家會(huì)有6分鐘的時(shí)間來觀測(cè)它。他們計(jì)劃將日食期間拍攝的畢星團(tuán)圖像與幾個(gè)月后畢星團(tuán)在夜空中出現(xiàn)時(shí)的正常圖像進(jìn)行比較，觀察光線是否有偏移以及偏移的程度。

愛丁頓與戴森深知拍攝日食的困難性，于是組織了兩個(gè)隊(duì)伍：愛丁頓前往非洲西海岸外的普林西比島，另一隊(duì)前往巴西索布拉爾島。當(dāng)1919年決定性的一天到來時(shí)，雖然天氣并不十分理想，但是愛丁頓仍拍攝到了關(guān)鍵性的照片，證明了愛因斯坦的正確性。

隨后，愛因斯坦的名字便家喻戶曉，甚至成為了天才的同義詞。不過，一些質(zhì)疑的聲音仍然存在，美國(guó)天文學(xué)家喬治·埃勒里·黑爾就曾在一封信中承認(rèn)到，廣義相對(duì)論仍讓他難以理解。但進(jìn)一步的日食觀測(cè)繼續(xù)為廣義相對(duì)論提供依據(jù)。1922年澳大利亞的日食和1923年墨西哥的日食再次證實(shí)了相對(duì)論。

1919年的日食是愛因斯坦成為科學(xué)界超級(jí)巨星的第一步，也是最重要的一步，而真正讓他名垂青史的是其理論的正確性。不過，科學(xué)一直在發(fā)展之中，新的理論也層出不窮，誰也不知道什么時(shí)候廣義相對(duì)論就會(huì)被完全取代。

小貼士

水星的歲差、攝動(dòng)和進(jìn)動(dòng)

歲差是指一個(gè)天體的自轉(zhuǎn)軸指向在空中緩慢且連續(xù)的變化，例如，地球自轉(zhuǎn)軸實(shí)際上是在旋轉(zhuǎn)的，以大約25786年為周期掃出圓錐的形狀。這是由于地軸并不是完全豎直的，地球也不是完美的球形，是太陽(yáng)和月亮對(duì)地球和軌道面的引力有小角度造成的。歲差引起了90%的水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。

攝動(dòng)是指其他天體對(duì)作軌道運(yùn)動(dòng)的天體所施加的引力作用。對(duì)水星來說，主要是金星、地球和木星的攝動(dòng)會(huì)引起近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。

水星近日點(diǎn)每百年會(huì)進(jìn)動(dòng)5600角秒，在作了5025角秒的歲差校正和532角秒的行星攝動(dòng)校正后，仍有43秒的世紀(jì)進(jìn)動(dòng)。