今天是2019年5月29日

這是饅頭說第 365 篇文章

在人類科學(xué)史上

關(guān)于“日全食”的觀測做過無數(shù)次

但可能沒有一次

像今天講的這次那么有名

【今日由頭】

1919年5月29日

愛丁頓進(jìn)行日全食觀測

1

我們的故事，從1905年開始。

1905年，對于人類科學(xué)文明史而言，是一個永遠(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”解決了“光電效應(yīng)”問題；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《分子大小的新測定法》；一個月后，他又遞交了另一篇論文《論動體的電動力學(xué)》，獨(dú)立而完整地提出了一個世人聞所未聞的理論：“狹義相對性原理”——我們現(xiàn)在稱之為“狹義相對論?！?/p>

沒錯，這個人，就是阿爾伯特·愛因斯坦。

愛因斯坦

在愛因斯坦創(chuàng)立“狹義相對論”之后的相當(dāng)長一段時間里，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，那就是牛頓的“萬有引力”體系。但是，經(jīng)歷了整整7年的嘗試，愛因斯坦遭受了各種各樣的失敗，始終無法如愿。

到了1912年的時候，屢戰(zhàn)屢敗的愛因斯坦?jié)u漸意識到了問題的根本性所在——他的“狹義相對論”根本容納不了“萬有引力”理論。

在這一年，愛因斯坦又發(fā)表了一篇論文，探討如何將重力場用幾何的語言來描述。其實在這個時候，愛因斯坦已經(jīng)無限接近自己下一個劃時代的研究成果——“廣義相對論”。

關(guān)于“廣義相對論”，有一句著名的形容：

“理論家的天堂，實驗家的地獄?！?/p>

這句話的意思是指，“廣義相對論”從理論上看驚為天人，完美無缺，但是要從實驗上證明，卻非常困難，因為這個理論以宇宙作為背景，實在太宏大了，在當(dāng)時的時代環(huán)境下，只有在有限且非常極端的實驗條件下，才有可能做出一些證明。

所以，當(dāng)愛因斯坦當(dāng)時提出這些理論的時候，外界普遍保持沉默，其實更多的是懷疑——無法用實驗證明的理論，你憑什么說它是正確的？

愛因斯坦經(jīng)過反復(fù)思考和計算，提供了幾個可以供天文實驗室驗證的推論，比如水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動問題，光譜線在強(qiáng)引力場中的紅移等等。

第一個實驗，愛因斯坦其實是成功證明了，第二個實驗，在當(dāng)時的條件下無法證明，所以關(guān)鍵就要看第三個實驗，也是愛因斯坦理論的一個重要論述——光線在強(qiáng)引力場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

“光線的傳播在強(qiáng)引力場中會發(fā)生彎曲”，這是“廣義相對論”的一個重要預(yù)言

以地球為環(huán)境，愛因斯坦所能想到的物體都太小了，根本沒有質(zhì)量足夠大的物體能夠證明他“光線偏轉(zhuǎn)”的理論，怎么辦？

愛因斯坦想到了一個合適的實驗對象：太陽。

太陽的體量足夠巨大，如果能證明貼近太陽的光線會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那就證明了愛因斯坦理論的正確性。

那么，在20世紀(jì)初的時候，有沒有科學(xué)實驗手段能驗證這一點(diǎn)？

有的。那就是“日全食”。

2

雖然想出了驗證辦法，但愛因斯坦很快陷入了焦慮。

要從觀測“日全食”中得到實驗數(shù)據(jù)，就必須得到天文臺和天文學(xué)家的幫助。愛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發(fā)去了信函，征詢他們是否有興趣通過屆時的日全食觀測，幫助驗證關(guān)于他“光線在通過近日引力點(diǎn)會發(fā)生偏轉(zhuǎn)”的理論。

信都發(fā)出去了，卻如同石沉大海，都沒有回音。

最終，已經(jīng)從瑞士蘇黎世移居到德國柏林并擔(dān)任威廉皇帝物理研究所所長的愛因斯坦，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），組織一支德國觀測隊前去觀測，而當(dāng)時最佳的觀測地點(diǎn)是俄國的克里米亞半島。

之后，美國的天文學(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。

但是，意外發(fā)生了。

1914年6月28日，奧匈帝國皇儲斐迪南大公在薩拉熱窩遇刺，一個月后，奧匈帝國向塞爾維亞宣戰(zhàn)，德國、意大利、英國、法國、俄國相繼代表各自陣營參加了戰(zhàn)爭——

卷入6500萬人口的第一次世界大戰(zhàn)，全面爆發(fā)。

遇刺前的斐迪南大公夫婦

戰(zhàn)爭一爆發(fā)，愛因斯坦就知道事情不妙，因為德國和俄國相互宣戰(zhàn)，成了交戰(zhàn)國。他在給友人的一封信中寫道：

“我親愛的天文學(xué)家弗羅因德利希會在俄國成為戰(zhàn)俘，而不是去那里觀測日食。我為他擔(dān)憂?！?/span>

愛因斯坦一語成讖。

帶著各種探測儀器的弗洛因德里希一行，在克里米亞半島被俄國軍隊當(dāng)作敵方間諜抓了起來。美國天文學(xué)家坎貝爾來自中立國，所以被放了出來，而自弗洛因德里希以下，所有的德國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。

僥幸被放出來的坎貝爾沒有放棄，在8月21日試圖繼續(xù)進(jìn)行日全食的觀測，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，太陽始終沒有出現(xiàn)。

盡管愛因斯坦也陷入了失去同事的悲傷中，但他有了一個意外的發(fā)現(xiàn)：

自己的計算出現(xiàn)了問題——他原來計算光線在太陽附近發(fā)生偏折的彎曲值是0.87弧秒，但這是錯誤的，修正后的數(shù)值應(yīng)該是1.75弧秒，差了一倍。

用“日全食”觀測來解釋光線彎曲的原理圖

如果弗洛因德里希的那次日全食觀測成功，反而會是一次證明愛因斯坦錯誤的實驗。

1915年，愛因斯坦在原有的基礎(chǔ)上，完整提出了“廣義相對論”。

世界為之震驚，但同時又為之懷疑，還是那個老問題——怎么證明？

愛因斯坦提出，通過日全食觀測還是最好的一個檢測方法。

根據(jù)推測，下一次最佳日全食的觀測時間是1919年的5月29日。

但愛因斯坦提出想法的時候，歐洲已經(jīng)陷入了一片戰(zhàn)火之中，各國之間完全殺紅了眼，所有的一切都已經(jīng)為戰(zhàn)爭讓道。

誰會為他去觀測日全食？

3

這時候，一位叫愛丁頓的英國人站了出來：我去！

亞瑟·斯坦利·愛丁頓，他并不是一個普通人。

愛丁頓1882年出生于英國，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，也就是愛因斯坦提出“狹義相對論”的那一年，愛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)和實驗物理學(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)天文臺臺長。

1915年，愛丁頓了解到了愛因斯坦的“廣義相對論”，瞬間就被這套理論所折服，并深深癡迷。事實上，愛丁頓成為了當(dāng)時世界上極為少數(shù)能看懂愛因斯坦“相對論”的科學(xué)家。

據(jù)說曾經(jīng)有人問愛丁頓一個問題：

“您覺得這個世界上懂相對論的人會超過三個人嗎？”

愛丁頓想了一下回答：

“事實上，我正在想第三個人究竟是誰?！?/span>

愛丁頓

在了解到觀測日全食能夠驗證愛因斯坦的相對論之后，愛丁頓毫不猶豫地站出來，表示自己愿意帶領(lǐng)一支隊伍去進(jìn)行日全食的觀測。

但是，其實愛丁頓那時候自身難保。

1917年，經(jīng)歷了煉獄一般的索姆河戰(zhàn)役之后，傷亡近60萬人的英國急需青壯年入伍補(bǔ)充兵源缺口，而當(dāng)時的愛丁頓才34歲，完全符合入伍條件。但愛丁頓因為宗教信仰，是一個和平主義者，他不僅拒絕入伍，還提出要組織一支考察隊去進(jìn)行日全食的觀測。

在當(dāng)時的戰(zhàn)爭環(huán)境下，拒絕為國家入伍上戰(zhàn)場，會遭遇各方面的歧視乃至羞辱。但愛丁頓堅持要繼續(xù)從事科學(xué)研究。他的一些科學(xué)家好朋友開始出動為他游說，結(jié)果皇家天文學(xué)家戴森不僅憑借自己和英國海軍部的關(guān)系幫他做了調(diào)停，并且還給出了一個說服英國政府支持他朋友愛丁頓去觀測日全食的理由：

通過這場日全食觀測，可以證明愛因斯坦的理論到底是否正確，是否會挑戰(zhàn)本國偉大科學(xué)家牛頓的“萬有引力”理論。

艾薩克·牛頓。其實牛頓的“萬有引力”理論也認(rèn)為光線在強(qiáng)引力場會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但牛頓認(rèn)為偏轉(zhuǎn)角度是0.87弧秒。

結(jié)果，政府和愛丁頓達(dá)成了一個約定：如果這場戰(zhàn)爭能在1919年5月之前結(jié)束，那么就允許他帶著隊伍去進(jìn)行觀測。

1918年11月11日，精疲力盡的歐洲各國宣布停戰(zhàn)，第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束了。

在短短的半年時間里，英國皇家天文學(xué)會為愛丁頓做好了各項準(zhǔn)備。

1919年5月29日的這場日全食將出現(xiàn)在南半球中緯度地區(qū)，在這一天，太陽將正好處在易于觀測的壁宿星團(tuán)——愛丁頓甚至認(rèn)為，如果錯過這次絕佳機(jī)會，可能要再等上千年。

為了取得最佳觀測效果并保證萬無一失，英國皇家天文學(xué)會等考察隊兵分兩路：一支隊伍由戴森帶領(lǐng)，去巴西的索布拉爾（Sobral)，一支隊伍由愛丁頓親自帶隊，去西非的普林西比島（Principe）。

1919年5月29日“日全食”的最佳觀測帶

隊伍觀測目的很明確：

如果屆時測出的偏轉(zhuǎn)值是1.75弧秒，那么愛因斯坦的“相對論”將被正式承認(rèn)。

如果屆時測出的偏轉(zhuǎn)值是0.87弧秒，那么牛頓的“萬有引力”理論依舊正確。

在出發(fā)前，有一名考察隊員問戴森：

“如果屆時測出的偏轉(zhuǎn)值，是愛因斯坦計算結(jié)果的兩倍怎么辦？”

戴森回答：

“那愛丁頓肯定會發(fā)瘋的。”

4

愛丁頓的那支隊伍，在1919年4月終于趕到了普林西比島。

到了島上之后，愛丁頓發(fā)現(xiàn)自己低估了這次考察的困難程度：

島上天氣悶熱，蚊蟲肆虐，環(huán)境非常艱苦。而最要命的是，整個五月雨水不斷，烏云密布。就在5月29日當(dāng)天，還下了一場大暴雨，沮喪的愛丁頓幾乎要選擇放棄。他在1920年出版的《空間、時間和引力》一書中用詩句的方式記錄了當(dāng)時的緊張心情：

“里里外外，上下四周，

除了魔影，別無所有。

戲在暗盒中演，太陽權(quán)為燭火;

我們圍繞著它，幻影似地奔走。”

但就在日全食開始前的幾小時，天空卻開始晴朗起來。愛丁頓的隊伍趕緊忙碌起來，開始記錄日全食。

在日全食的整個過程中，愛丁頓非常緊張，幾乎沒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。

愛丁頓拍下的日全食照片

經(jīng)過緊張的計算，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，這個數(shù)值明顯接近愛因斯坦預(yù)測的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，隨后也得到了觀測的數(shù)值，但是有兩個：0.89弧秒和1.98弧秒。

0.89弧秒是戴森團(tuán)隊用原來準(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)鏡測得的。

三組數(shù)據(jù)中，愛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，“相對論”是正確的。

在那一刻，愛丁頓激動異常：

“愛因斯坦的理論經(jīng)受住了考驗！”

電影《愛因斯坦與愛丁頓》的劇照。

事實上，如果采用0.89弧秒的那組數(shù)據(jù)，就更接近牛頓的理論——用現(xiàn)在的眼光看，完全可以質(zhì)疑愛丁頓拋棄那組數(shù)據(jù)的動機(jī)。但當(dāng)時確實沒有任何人質(zhì)疑愛丁頓是不是故意舍棄他不想要的結(jié)果。不過最關(guān)鍵的是，隨著時代和科技的發(fā)展，后人又經(jīng)過了多次測試，誤差越來越小，證明愛丁頓那次觀測的結(jié)論確實是正確的。

5

1919年11月16日下午，英國皇家學(xué)會和皇家天文學(xué)會在倫敦舉行了聯(lián)席會議。

在這場會議上，所有的權(quán)威聽取了愛丁頓關(guān)于日全食觀測和計算的報告。

在聽取報告之后，英國皇家學(xué)會主席湯普森（電子的發(fā)現(xiàn)者）正式宣布：

“廣義相對論”得到了實驗的驗證，是正確的。

同時，湯普森表示：

“愛因斯坦的科學(xué)思想是這個時代的最高成就?！?/span>

愛因斯坦一戰(zhàn)封神。

據(jù)說，得到消息的愛因斯坦其實并沒有太激動。他的學(xué)生羅森塔爾問他：

“如果你的理論被證明是不對的，你會怎樣？”

愛因斯坦笑了笑：

“那我只能為上帝感到遺憾了，因為我的理論肯定是對的?！?/span>

但另一個流傳的版本是，其實愛因斯坦對實驗結(jié)果很緊張，一直在打探消息。

真正鎮(zhèn)定的倒是愛丁頓。他在聽說愛因斯坦焦急等待結(jié)果時說：

“看來愛因斯坦還是不太懂他自己的相對論??！”

愛因斯坦和愛丁頓

【饅頭說】

這個故事最吸引我的，其實不是整個日全食觀測的過程，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)時確實是殺紅了眼的。尤其是經(jīng)過凡爾登和索姆河兩大著名的“絞肉機(jī)”戰(zhàn)役，英法和德國已經(jīng)到了勢不兩立的地步。

所以對英國而言，出生在德國的愛因斯坦，就是一個敵國的科學(xué)家。

更讓人有些不可思議的是，英國的科學(xué)家不僅僅是要幫助德國的科學(xué)家，而且是要推翻本國一直引以為榮的科學(xué)泰斗的理論。

牛頓作為原英國皇家學(xué)會的會長，長期以來是世界頂級的物理學(xué)家，也是被英國人視為“國寶”的科學(xué)家。而現(xiàn)在，一群英國的科學(xué)家，克服種種阻力甚至突破戰(zhàn)爭的障礙，要幫助一個敵對國家的科學(xué)家證明他的理論，以驗證本國科學(xué)家的理論是錯誤的。

站在這個角度看，這次日全食觀測堪稱偉大。

當(dāng)愛丁頓為愛因斯坦理論與人爭辯的時候，當(dāng)戴森為考察隊能夠成行想盡辦法的時候，當(dāng)湯普森當(dāng)眾宣布愛因斯坦是正確的時候，那一個個瞬間，確實讓人動容。

根據(jù)當(dāng)時在場人的記錄，那場宣布愛因斯坦理論被證明的會議，會議室的背景墻上，掛著一副巨大的牛頓肖像。

我們都知道一句話：

“科學(xué)沒有國界，但科學(xué)家有自己的祖國?！?/span>

沒錯，但倒過來一樣也是一句偉大的話：

“科學(xué)家有自己的祖國，但科學(xué)沒有國界?！?/span>

本文主要參考來源：

1、《愛丁頓與廣義相對論的驗證》（侯新杰，陳曉莉，《大學(xué)物理》，2006年7月30日）

2、《日食觀測與廣義相對論的驗證》（李良，《現(xiàn)代物理知識》，2018年10月18日）

3、《1919年5月29日:愛丁頓觀察日食以檢驗廣義相對論》（蕭如珀， 楊信男，《現(xiàn)代物理知識》（2018年6月25日）

4、《愛丁頓不會發(fā)瘋的》（卞毓麟，《科普時報》，2019年4月12日）

5、《改變歷史的日全食》（微信公號：“嚴(yán)鋒老師”，2017年3月18日）

6、《愛丁頓與廣義相對論》（郭建福，《物理教師》，2016年第37卷第8期）

7、《用實驗證明廣義相對論的人——愛丁頓》（52數(shù)學(xué)網(wǎng)，2019年4月29日）

8、《太陽的故事》（盧昌海，清華大學(xué)出版社，2011年）

9、《電影中的科學(xué)家之：〈愛因斯坦與愛丁頓〉與沖突的呈現(xiàn)》（張九慶，《科學(xué)》，2018年05期）