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整整100年前 爱因斯坦一夜成名!

时间:2019-04-30 | 作者:张皓 | 来源:蝌蚪五线谱 | 浏览:

4月10日,“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT)项目全球同步发布黑洞的首张照片。令科学家们感到激动万分的不仅仅是人类首次目睹了黑洞的真容,还因为照片再次证明爱因斯坦的广义相对论又双叒正确了!

巧合的是,距离现在整整100年,广义相对论也是靠着一次天文观测才名扬天下。

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参与“事件视界望远镜”项目的一个射电望远镜阵列。(图源:美国哈佛-史密森天体物理学中心官网)

1919年5月29日,清晨,一场倾盆大雨洗去了几内亚湾弯曲处的普林西比岛上的炎热。普林西比岛位于非洲西岸,树木茂盛、风景迷人,但是气候恶劣。

一家现代旅行社对它的描述是,“最好在6-9月登岛,其他时候你将在雨中和自己的汗水中游泳”。

但此时正在岛上的一群英国科学家们却无暇为降雨带来的凉爽而欣喜,他们守在一个庞然大物——33毫米孔径的格林威治天文望远镜旁焦灼不安。

他们带着这个大家伙离开家园长途跋涉,穿过仍笼罩在一战带来的硝烟的战乱地区,来到这种闷热潮湿的小岛,足足忍受了一个月蚊虫、高温、暴雨的袭扰,等的就是这天。确切地说,应该说是这天中午2点15分即将在这座小岛上空发生的日全食。

时间在一分一秒逼近,可是这时岛上还下着暴雨!

但是他们之中一个人却表现得异常镇定,他就是英国天文学家、物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿。他是这支观测队的领队,也是整个日食观测计划的策划者。

他坚信这次观测活动将会取得成功,正如他坚定地相信日全食将证明爱因斯坦的广义相对论是正确的一样。

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亚瑟·斯坦利·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington 图源:britannica.com)

1915年,一次世界大战期间,爱因斯坦从牛顿的万有引力定律孤立地看待时间和空间的局限中跳脱出来,认为时间和空间在宇宙中共同组成一张大网,提出了广义相对论。

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牛顿与爱因斯坦的宇宙观 (图源:NASA)

在那个时代宣称牛顿错了,无异于向拥有基督信仰的人宣称上帝死了。没有可靠的科学实验论证,科学界不会接受这一理论。

当时爱因斯坦想出三种天文学观测方法可以证明广义相对论效应:水星的近日点进动、原子光谱的红移效应和光的偏折。由于前两项实验存在不确定性因素多和实验难度大的缺点,验证广义相对论成败的关键落在了光的偏折身上。

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引力透镜示意图 (图源:维基百科)

根据广义相对论,大质量天体造成了时空扭曲,光线经过大质量天体时会发生弯曲。爱因斯坦经过计算得出经过太阳附近的星光会发生1.75弧秒的偏折,这一数据与通过万有引力定律计算出的数据相差了一倍。如果能证明这一计算就能有力证明广义相对论是正确的!

但是太阳的光线太过耀眼,要想能观测到经过太阳的星光,只能耐心等待太阳的光芒被遮蔽的时刻——日全食的出现。

爱丁顿还记得第一次读到广义相对论时感受到的震撼。牛顿万有引力定律问世以来,一直被科学家们视为真理,但是不容忽视的误差却又一直存在。牛顿错了吗?他万万不敢想象。直到广义相对论的出现,仿佛在他眼前开启了新的宇宙。

他认识到验证光线引力偏折对证实相对论的重要性,于是极力促成英国皇家天文学家弗兰克·戴森策划了此次日食观测计划。

为了今天,他们从一年前就开始计划。这次日食将发生在赤道附近,穿越南美洲、大西洋、非洲中部一带。

为了确保万无一失,他们兵分两路,此时,他的战友正在南美洲巴西的索贝瑞尔和他一同等候日食那一刻的来临。也许这里的观测行动会失败,但是真理一定会被证明!

“我们必须凭借信仰执行拍摄计划。”后来他在日记里这么写道。

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伦敦新闻画报报道 (图源:the Illustrated London News of November 22, 1919.)

“雨好像变小了!”不知道谁喊了这么一句,雨势确实正在渐渐减弱,现在时间指向中午12点。

“最后检查一遍照相底板。”爱丁顿一边向随行助手发出指令,一边继续观测天气变化。虽然雨势渐弱,但是厚厚的云层还是围绕在太阳左右,这势必会影响观测,但是爱丁顿还是坚定地做着最后的一切准备。

1点30分,情况似乎好转了,云层逐渐消散,已经可以看见太阳的身影;

1点55分,晴空的范围扩大,甚至可以瞥见空中的新月;

2点15分,日食终于开始了!

虽然天空中仍有云,肉眼已经可以清楚看到日食的景象。但是爱丁顿无暇观赏这一独特的天文现象,在日食长达5分钟的时间里他忙着一片又一片地更换照片底板,争取拍下尽可能多的照片。最后他们一共拍下了16张照片。

爱丁顿给远在南美洲的戴森发去了电报:“透过云,有希望。”

随后的六天时间里,爱丁顿又留在岛上拍下了大量星空的照片,以便与日食发生时恒星的位置进行比较。

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爱丁顿拍摄的日食照片 (图源:Royal Astronomical Society)

7月,两个观测队终于在英国会师。爱丁顿的观测队共拍摄到16张照片,可惜受到云层的影响,只有2张能用,戴森带领的观测队共拍到27张照片,其中8张能用。

通过对这些照片的分析,爱丁顿和戴森共同提出1.64弧秒的整体测量值,这与爱因斯坦的计算结果极为接近。

他们不仅公开了自己的测量结果,而且把所有照片的原始版本也公之于众,以供怀疑的人检验。

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1919年泰晤士报报道 (图源:Times, 6 November 1919. )

这一结果公布后,科学界广泛接受了爱因斯坦的广义相对论。英国《泰晤士报》发表整版新闻《科学革命——牛顿的思想被推翻》,广义相对论的宇宙观从此深入人心。

参考资料:

1. 《Judging Einstein》 J. Donald Fernie American Scientist 93 (2005): 104.

2. Stanley, M. 2003. An expedition to heal the wounds of war: The 1919 eclipse and Eddington as Quaker adventurer. Isis 94:57-89.

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