1919 年的日食与广义相对论的首次重大胜利

亚瑟·爱丁顿的观测证实了该理论——尽管他的国家和爱因斯坦的国家在第一次世界大战中几乎还在互相攻击

1919 年的观测中使用的仪器,用于测试爱因斯坦关于扭曲时空的预测。

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科学可以脱离政治而存在吗?1919 年 5 月 29 日,英国天文学家亚瑟·爱丁顿正在尽最大努力找出答案。在整个第一次世界大战期间,爱丁顿一直在为这一天做准备,试图将当时的偏见与知识的追求分开。就在不到一年前,爱丁顿最终确定了测试一位德国出生科学家提出的一种新的引力理论的计划,当时德军正在炮击巴黎,并进行第一次世界大战中最血腥的战役之一。

那位科学家是阿尔伯特·爱因斯坦,他当时还不够出名,不能成为爱丁顿的免罪金牌——而避免入狱正是爱丁顿一直在努力做的事情。

1918 年,英国军队在经历了三年多的战斗后,急需补充兵力,开始审查所有被免除兵役的案件。爱丁顿的豁免完全基于他作为剑桥大学天文台台长的研究,但 6 月 14 日,一个军事法庭告诉他,这个理由不再充分。爱丁顿是一名终身贵格会教徒,他试图以良心拒服兵役者的身份为自己辩护。法院拒绝考虑这一论点,称该案件“非常困难——对爱丁顿教授来说很困难”,但给了他 7 月 11 日的最后期限来说服他们。


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爱丁顿从未羞于表达他的贵格会信仰,即使他生活和工作在剑桥大学校园,那里有五名本科生和十五名研究生因拒绝服兵役而被捕。当一位剑桥教授宣称“德国人在先天上不适合阅读我们的诗歌;他们器官的结构不允许”,而著名的英国期刊《自然》发表文章谴责德国科学的劣等时,爱丁顿公开敦促英国天文学家将战时的恐怖与他们的工作分开。

特别是,他支持爱因斯坦关于引力的激进新工作。如果爱因斯坦的理论是正确的,它将用引力就是空间的革命性思想取代艾萨克·牛顿将引力视为在空间中起作用的力。爱因斯坦断言,空间和时间不是僵硬不变的,而是会因为大质量物体的存在而弯曲或下垂,就像一个重量级的人使床垫下垂一样。一个弹珠滚向一个重物不是因为一种力,而是因为该物体使弹珠必须穿过的时空凹陷了。

尽管爱因斯坦的理论看起来违反直觉,但爱丁顿知道有一种方法可以检验该理论。爱因斯坦自己也提出了这个方法。

如果一个物体足够大,比如太阳,那么应该有可能观察到所有在其附近行进的物体的弯曲或弯曲路径,甚至包括星光粒子。星光的弯曲将显示为星星的视在位置与太阳在天空另一部分时的位置相比发生变化。 在正常情况下,太阳盘的耀眼光芒会完全淹没来自周围恒星的微弱得多的光芒。但是在太阳系的钟表运动将月球直接置于太阳和地球之间的那些罕见的时间和地点——日全食期间——恒星会出现在视野中。

当军事法庭于 1918 年 7 月 11 日再次开庭决定他的命运时,爱丁顿出示了一封来自英国皇家天文学家兼英国皇家学会和皇家天文学会联合常务日食委员会主席弗兰克·戴森的信。这封经过精心措辞的信强调了对科学的追求,但也利用了战时英国的情绪。戴森断言,1919 年 5 月发生在非洲和巴西的日全食具有非同寻常的重要性,爱丁顿是领导英国考察队观察它的最佳人选——戴森补充说,这项实验将消除“一种广泛流传但错误的观念,即最重要的科学研究是在德国进行的。”

这封信奏效了。当地法庭表示,他们确信爱丁顿是一个真正的良心拒服兵役者并且他的工作具有巨大的重要性,“不仅对这个国家,而且对全世界——对普遍的知识而言”。因此,在战争最激烈的战斗期间,爱丁顿获得了正式的批准,可以检验爱因斯坦的理论。

1919 年的事件有几个有利之处。日食将持续六分钟以上,是二十世纪最长的一次日食之一。更重要的是,太阳将位于丰富的恒星背景——毕宿星团——的前方,为测试爱因斯坦的光弯曲预测提供了大量的物体。另一个优点是:这些恒星相对较亮。

当爱丁顿和他的同事们起航观测日食时,战争已经结束了。爱丁顿和一位合作者前往非洲西海岸附近的葡萄牙岛屿普林西比,而第二支英国考察队前往巴西北部的索布拉尔。在普林西比,云层几乎遮挡了观测。在索布拉尔,主望远镜的透镜显然由于太阳的热量而变形,导致拍摄的底片失焦。

然而,当爱丁顿和他的同事回到英国,将他们在日食期间能够成像的恒星的位置与太阳在天空其他位置时的位置进行比较时,他们发现光弯曲的量与爱因斯坦预测的量相同(最近有人断言爱丁顿为了支持爱因斯坦而伪造了数据,这已被证明是不正确的)。

1919 年 11 月 6 日,爱丁顿在伦敦皇家学会会议上宣布结果的第二天,伦敦《泰晤士报》的头版刊登了关于战争和纪念的故事。就在停战一周年纪念日的前几天,乔治五世国王刚刚发出邀请,要求所有工人在一天中抽出两分钟的沉默来纪念和缅怀“光荣的死者”。但在这些故事的右侧出现了一篇关于重生和复兴的文章。在三层标题中,通常比较严肃的《泰晤士报》写道:“科学革命 / 宇宙新理论 / 牛顿思想被推翻。”

这个消息在全球引起了连锁反应。《纽约时报》也紧随其后,在 11 月 10 日的头版上发表了一篇报道:“天上的光线全都歪了……爱因斯坦理论获胜。”

一个世纪后,爱因斯坦的引力理论继续为宇宙的诞生和生命打开新的、意想不到的窗口。引力波的发现——时空中不可见的波动,为了解爆炸的恒星和宇宙中一些最剧烈的碰撞提供了一种新方法——以及黑洞的存在及其阴影,其中一个最近首次成像——都是爱因斯坦的理论预测的。

国际合作现在很普遍,像爱丁顿这样的考察队几乎肯定会包括来自多个国家的科学家。但在今天两极分化的环境中,这个问题可能比以往任何时候都更重要:科学能否脱离政治而存在?

所有科学家能做的就是继续努力。

这篇文章改编自作者的新书 引力的世纪:从爱因斯坦的日食到黑洞的图像,由哈佛大学出版社出版。

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