日全食證明相對論

劉曉輝

隨著美國俄勒岡州西部的晨間天色暗下來，業(yè)余天文學(xué)家貝里的3只羊駝退回到圈中。正在變暗的日光和聚集在貝里農(nóng)場里的外鄉(xiāng)人（他們拿著卡板式太陽鏡和四翼無人機(jī)）嚇退了羊駝。與此同時，月球和太陽在這些人上方表演難得一見的天宇芭蕾。

愛因斯坦提出方法測試相對論不容易

2017年8月21日，日全食99年來第一次光顧美國大陸兩端的海岸地帶。美國著名科普雜志《天文》前主編貝里及一隊(duì)來自波特蘭社區(qū)大學(xué)的學(xué)生當(dāng)天不只是欣賞日全食，而且事先準(zhǔn)備好了望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)等裝備，以重復(fù)有史以來最著名的日食實(shí)驗(yàn)——1919年對愛因斯坦廣義相對論的首次成功測試。在這次美國大日食之前差不多100年，兩個天文學(xué)團(tuán)隊(duì)曾分別前往遙遠(yuǎn)海岸觀測一次意義重大的日食。之所以說這次日食意義重大，是因?yàn)樗鼘⑾蚴廊俗C明牛頓有關(guān)引力的系列理論并非完全正確。

愛因斯坦1915年首次發(fā)表廣義相對論。該理論的一個核心點(diǎn)是：像太陽這樣的大質(zhì)量天體會扭曲自己周圍的時空結(jié)構(gòu)。這其實(shí)就是愛因斯坦對引力的解釋。牛頓的引力理論是：引力是所有物質(zhì)都會施加的一種吸引力。愛因斯坦引力理論顯然與牛頓引力理論大相徑庭。根據(jù)愛因斯坦的說法，在大質(zhì)量天體附近穿行的任何光都與時空一起被扭曲。20世紀(jì)初，愛因斯坦提出了一種方法來證明自己看似荒謬的這一理論其實(shí)并不荒謬，而這種方法就是利用日全食。

2017年北美大日食。

2017年日全食觀測團(tuán)隊(duì)部分成員。

怎么利用呢？愛因斯坦如此描述：標(biāo)記日全食期間太陽周圍的每顆恒星位置，并且標(biāo)記非日食期間（即太陽的直接光線被月球全部遮擋、從而讓背景中的恒星能夠被看見的時段）這些恒星的位置。如果他的廣義相對論正確，那么這些恒星的位置就會有輕微改變。這種改變并非肉眼可見，但能通過精細(xì)測量觀測到。1919年5月29日，英國天文學(xué)家艾丁頓和戴森組織的遠(yuǎn)征隊(duì)分別抵達(dá)非洲西海岸的普林西比島和巴西的索布拉爾，以驗(yàn)證廣義相對論是否正確。他們發(fā)表驗(yàn)證結(jié)論后。人們對世界的認(rèn)識被刷新。

2017年，波特蘭社區(qū)大學(xué)物理學(xué)教授迪特里奇組織了包括貝里團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的12個團(tuán)隊(duì)觀測日全食。迪特里奇派出了自己的兩名學(xué)生前往巴里農(nóng)場和一座俄勒岡山頭，看他們能否至少重復(fù)艾丁頓和戴森的實(shí)驗(yàn)，甚至做得更好。

無論是1919年還是2017年，通過觀測日全食來驗(yàn)證廣義相對論都面臨技術(shù)挑戰(zhàn)和天氣突變。事實(shí)上，能夠觀測到日全食的窗口時間通常很短，也就是說日全食持續(xù)時間很短。在1919年，這一窗口時間長度超過5分鐘，這對當(dāng)時的天文學(xué)界來說堪稱“奢侈”。而在2017年，對美國觀測者來說日全食只持續(xù)大約兩分鐘。云團(tuán)經(jīng)過，或者有風(fēng)，都會破壞在這個寶貴時段的觀測。例如，云層破壞了1918年美國日全食期間的一次相對論測試。在2017年日全食期間駐守美國懷俄明州、與迪特里奇一起組織相對論測試的業(yè)余天文學(xué)家布朗斯說，從1936年到1954年有4次復(fù)制艾丁頓一戴森實(shí)驗(yàn)的嘗試以失敗告終。他說，他們2017年組織利用日全食測試相對論的行動，部分目的就是要告慰那些在這方面出師未捷身先死的天文學(xué)家。

百年前這方面嘗試 竟然取得驚人成功

先回到1919年。艾丁頓和戴森的專業(yè)學(xué)識讓他們尤其適合追蹤日全食的使命。戴森是英國皇家天文學(xué)家，也是格林尼治（英國倫敦東南一市鎮(zhèn);通過格林尼治天文臺的經(jīng)線被定為本初子午線）天文臺的負(fù)責(zé)人。艾丁頓是英國劍橋天文臺的負(fù)責(zé)人。在說明太陽能夠以現(xiàn)有方式繼續(xù)存在、而不是在自身重量下坍縮（原因是太陽光會施加一種外推力）的理論領(lǐng)域，艾丁頓頗有建樹，這也讓他大名鼎鼎。

由艾丁頓和另一位英國天文學(xué)家科丁翰領(lǐng)導(dǎo)的觀測隊(duì)，駐守在普林西比島西北部一家可可種植園。他們采用的大多數(shù)觀測裝備都是從英國牛津天文臺借來的，原因是艾丁頓自己主導(dǎo)的劍橋天文臺在觀測日食方面并不專業(yè)。在這場遠(yuǎn)征中艾丁頓很可能親自完成了所有數(shù)據(jù)分析。盡管這場遠(yuǎn)征的文字記錄如今已不復(fù)存在，甚至就連原有的攝影底片也隨時間消失，科學(xué)歷史學(xué)家卻仍然相信數(shù)據(jù)分析的完成者是艾丁頓本人。戴森當(dāng)時告訴科丁翰，如果艾丁頓觀測到了為愛因斯坦預(yù)測值兩倍的恒星位置偏差量（對這個奇怪結(jié)果，不管是愛因斯坦還是牛頓的理論框架都預(yù)計(jì)不到），那么“艾丁頓會（高興得）發(fā)瘋，而你（科丁翰）只能一個人回來”。

艾丁頓（左）和戴森（右）。

與此同時，戴森實(shí)際上并未親自前往巴西索布拉爾觀測日全食，而是派出他的下屬戴維森和克羅姆林?jǐn)y帶格林尼治天文臺的部分裝備前往觀測。他倆回來后，戴森主導(dǎo)了對這支遠(yuǎn)征隊(duì)所獲探測數(shù)據(jù)的分析工作，并且與艾丁頓合作撰寫最終報告。

這兩支遠(yuǎn)征隊(duì)都必須帶回在玻璃鏡片上編碼的兩類重要數(shù)據(jù)。其中至少一張鏡片在日全食期間拍攝，另一張?jiān)谝归g對著同樣的恒星拍攝（背景中不能有太陽和月球）。就算拍攝工作完成得再好，分析鏡片的人也會面臨一大挑戰(zhàn)：這些恒星在鏡片上就像一個個小圓圈，而恒星位置在日全食期間和非日食期間的改變量還不如這些小圓圈大，因此必須進(jìn)行非常精細(xì)也非常困難的測量。幸運(yùn)的是，戴森正是靠這類觀測謀生的。他的日常工作包括仔細(xì)測量恒星位置和檢查位置的微小改變。為此，他采用了一種叫作測微螺旋的小型裝置，它從鏡片上一個點(diǎn)移動到下一個點(diǎn)，由此測量天體之間的距離。

這兩支觀測隊(duì)在1919年日全食那天很幸運(yùn)，因?yàn)楫?dāng)時太陽附近有一個非常明亮的星團(tuán)——畢星團(tuán)。艾丁頓稱這是“迄今為止遇到的最佳星場”。畢星團(tuán)中群星的亮度意味著這些恒星比亮度暗些的恒星容易看見，因?yàn)楹笳呖赡鼙惶柾鈱哟髿猓慈彰幔┑墓饷⒄谏w。日冕是超熱等離子體，只有在日全食期間裸眼才能看見日冕，這時日冕呈現(xiàn)為被擋住的太陽周圍的一圈光暈。

科學(xué)巨擘愛因斯坦（1921年）。

1919年的兩支日全食觀測隊(duì)都取得成功，他們的探測結(jié)果都很接近愛因斯坦理論預(yù)測的位置偏差量。但這一成功存有爭議。例如，索布拉爾遠(yuǎn)征隊(duì)的一部望遠(yuǎn)鏡生成的鏡片圖樣令人生疑，因?yàn)殓R片上的恒星看起來更像是污點(diǎn)，而不像是圓圈。此外，一些歷史學(xué)家推測，艾丁頓-戴森團(tuán)隊(duì)可能很急于證明愛因斯坦理論的正確性，因此他們當(dāng)初可能丟棄了不符合理論預(yù)測值的數(shù)據(jù)，而這種做法顯然不合適。

但歷史學(xué)家們普遍相信，戴森不可能篡改探測結(jié)果。雖然艾丁頓在1919年日全食觀測之前就公開支持愛因斯坦預(yù)測值，但他沒有插手索布拉爾鏡片處置，因此他也不可能篡改探測結(jié)果。歷史學(xué)家們都認(rèn)同一點(diǎn)：在科學(xué)或生活中很難做到完全中立。因此歷史學(xué)界認(rèn)為，不應(yīng)該因?yàn)榘☆D公布了自己的偏好而否定他的研究結(jié)論，否則就是強(qiáng)迫科學(xué)家壓制自己的觀點(diǎn)。

至于愛因斯坦本人，他看來并不很在乎自己在當(dāng)時被認(rèn)為很前衛(wèi)的廣義相對論最終將接受測試。一些歷史學(xué)家認(rèn)為，愛因斯坦對自己的理論信心十足，因此他笑看1919年遠(yuǎn)征隊(duì)不畏艱難測試他的理論——他根本不相信遠(yuǎn)征隊(duì)最終會發(fā)現(xiàn)能駁倒他的證據(jù)。有科學(xué)家當(dāng)時對愛因斯坦說：“我不能相信你真的能平靜對待（遠(yuǎn)征隊(duì)對廣義相對論的測試）。”愛因斯坦回答：“好的。我知道了。”

事實(shí)上，雖然愛因斯坦不缺乏自信，但他希望遠(yuǎn)征隊(duì)完成探測。早在1911年初，他就寫信給其他天文學(xué)家，問他們是否愿意做這類日食實(shí)驗(yàn)（以幫助驗(yàn)證他尚未公開發(fā)表的廣義相對論），而且他還為實(shí)驗(yàn)籌集資金。1914年。他曾資助德國天文學(xué)家弗倫德利希遠(yuǎn)征克里米亞半島觀測日食（艾丁頓進(jìn)行的正是這種測試），但這趟征途遭遇不幸：當(dāng)弗倫德利希過境俄羅斯時，奧地利皇儲斐迪南大公被謀殺，弗倫德利希被沙皇抓捕，觀測設(shè)備被沒收。

1919年9月，愛因斯坦收到電報說艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的預(yù)測。當(dāng)時與愛因斯坦在一起的女物理學(xué)家和哲學(xué)家伊爾絲記述說，愛因斯坦當(dāng)時看起來愉快但并非狂喜，這讓她很驚訝。于是她問愛因斯坦：“萬一他們說他們發(fā)現(xiàn)你的理論不符合他們的觀測，你會失望嗎？”愛因斯坦笑著說：“那我會為他們感到遺憾，因?yàn)槲业睦碚摏]錯。”

1919年11月6日，艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)結(jié)果被正式遞交給在倫敦舉行的英國皇家學(xué)會會議，這讓愛因斯坦在全球知名。更重要的是，這意味著牛頓理論首次被挑戰(zhàn)。當(dāng)然，這無損大物理學(xué)家牛頓的英名。

1922年，又一次日食出現(xiàn)。美國加州里克天文臺抓住時機(jī)進(jìn)行測試，其結(jié)果很接近艾丁頓和戴森的數(shù)據(jù)。到了這時候，愛因斯坦已經(jīng)舉世聞名，成了不折不扣的科學(xué)巨匠。戴森也嘗試重復(fù)這種實(shí)驗(yàn)，但他后來的努力被愛因斯坦等人的光輝掩蓋。

新測試結(jié)果更精確 但科學(xué)家并不滿足

自1973年以來，沒有科學(xué)家專門去復(fù)制艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)，原因是日食對于測量愛因斯坦所預(yù)測的太陽光偏轉(zhuǎn)來說并不再是唯一和最佳手段。例如，到了20世紀(jì)70年代，射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)讓科學(xué)家能在白天、無日食幫助的情況下觀測太陽對類星體（超明亮星系核。每個類星體都由被巨大能量發(fā)射盤環(huán)繞的一個超大黑洞組成）發(fā)光的扭曲效應(yīng)。

這幅圖像顯示了2017年日全食期間太陽色球?qū)樱ㄎ挥谌彰嵯旅妫┑拈W光光譜。其中色球?qū)託湓釉谝粋€特定波長下產(chǎn)生紅光（右側(cè)），鈣原子則產(chǎn)生紫光（左側(cè)）。

參與迪特里奇2017年所組織日全食觀測行動、以重復(fù)20世紀(jì)初日全食測試相對論實(shí)驗(yàn)的12個業(yè)余團(tuán)隊(duì)，通過行動認(rèn)識到實(shí)驗(yàn)失敗的可能方式其實(shí)有許多種。在其中10個實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，參與者都遇到了裝備問題（例如供電故障和過度曝光）或大氣湍流。因而實(shí)驗(yàn)者未能獲得可用數(shù)據(jù)。有一個團(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵時刻意外碰翻了望遠(yuǎn)鏡的三腳架。這些挫敗凸顯了1919年兩個遠(yuǎn)征隊(duì)在日全食期間尋覓有用的恒星時是多么幸運(yùn)，也是多么仔細(xì)。

在這幅由23幅圖像合成的圖像中，用黃圈標(biāo)記出了日全食期間太陽周圍的恒星。圖中月面可見，是因?yàn)橛傻厍蚍瓷涞年柟庹丈涞皆旅婧笥直辉旅娣瓷洹D中大圈是在不同曝光時間捕捉到的日冕。

在兩個取得成功的團(tuán)隊(duì)中，有一個正是由貝里和波特蘭社區(qū)大學(xué)學(xué)生組成的。另一個就是由布朗斯領(lǐng)導(dǎo)的懷俄明團(tuán)隊(duì)。布朗斯為這次觀測準(zhǔn)備了超過1年時間，為日全食期間的關(guān)鍵幾分鐘反復(fù)演練。迪特里奇評價說，布朗斯團(tuán)隊(duì)的觀測行動“成績斐然”。

艾丁頓的普林西比遠(yuǎn)征隊(duì)探測結(jié)果是太陽所致光偏轉(zhuǎn)為1.6弧秒（距離單位），戴森的索布拉爾遠(yuǎn)征隊(duì)探測結(jié)果是1.98弧秒（不確定邊際約為30%）。2017年布朗斯（他是一位退休的光學(xué)物理學(xué)家）所拍攝圖像的轉(zhuǎn)譯數(shù)據(jù)精確吻合愛因斯坦預(yù)測值——1.7512弧秒，不確定邊際（與大氣湍流有關(guān)）只有3%。由于這項(xiàng)成績，布朗斯贏得美國天文學(xué)學(xué)會獎勵，他的探測結(jié)果發(fā)表于《經(jīng)典與量子引力》雜志上。

貝里、布朗斯和迪特里奇已經(jīng)把目光轉(zhuǎn)向2024年。到時候，從美國得克薩斯州一直到緬因州都能觀測到日全食。迪特里奇說，他的團(tuán)隊(duì)希望更大規(guī)模重復(fù)艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)，如果屆時沒有大氣干擾，他們就有可能取得比布朗斯團(tuán)隊(duì)2017年探測數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

回首艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)，貝里依然對這些100多年前科學(xué)團(tuán)隊(duì)的探測意義感到敬畏。他說：“這（指通過日全食驗(yàn)證相對論）是必須進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，它帶來了巨大變革;只需追蹤相對論和量子力學(xué)及其衍生物的進(jìn)展，你就會發(fā)現(xiàn)當(dāng)代世界完全取決于這些事物的發(fā)生。”