爱因斯坦与日食

张慧薇

100年前，阿尔伯特·爱因斯坦是德国柏林大学的一名教授，那时他的名字还没有家喻户晓，只为少数的科学家、知识分子和身边的人所熟知。

1919年5月29日是一个重要的日子，尤其是对爱因斯坦来说，就在这一天，当月球刚好运动到太阳和地球之间时，日食证明了爱因斯坦广义相对论的正确性，让爱因斯坦一下子声名大噪，成为了那个时期最具权威的科学家。而广义相对论也取代了牛顿的引力理论，成为了解释空间最有力的物理理论。

正值这个历史性的日子100年之际，让我们一起去了解这段历史吧。

凝视太阳

1687年，艾萨克·牛顿发表了他的巨著《自然哲学的数学原理》，提出了万有引力定律：宇宙中相隔一定距离的任意两个有质量的物体间有引力的作用。根据牛顿的理论，空间只是一个固定的背景，引力造成了物体的运动。在一段时间内，牛顿的万有引力理论很好地解释了一些天体的运动，包括月球绕地球的运动，甚至还成功预测了海王星的轨道。

然而万有引力定律也有很多问题，最典型的问题就是水星的进动问题。每个行星围绕太阳以椭圆轨道运动，一般有远日点和近日点，这些轨道并不是固定的，以太阳为中心，行星轨道会缓慢地变换位置。行星每转一圈，其近日点便会发生偏移，称之为近日点进动。偏移主要是由岁差和摄动引起的，但是利用牛顿定律的计算结果与实际的观测结果之间存在着不可忽略的差异。1859年，法国天文学家勒威耶发现这一差异为水星近日点每100年进动38角秒（角度单位，1度等于3600角秒）;1882年，加拿大天文学家纽康对这一数值进行了校正，得出水星近日点进动值为每100年43角秒。于是为了解释水星进动的现象，爱因斯坦提出了广义相对论。

在1915年提出的广义相对论中，爱因斯坦对牛顿提出了直接的挑战。广义相对论抛弃了引力将物体拉到一起的观点，提出空间和时间一起形成了一个四维的东西叫做时空，而所谓的引力实际上是物体对时空的扭曲，一个物体的质量越大，时空的变形就越大，它附近的物质受到弯曲时空的影响而向它靠近。在原本平直的时空上放一个恒星，时空发生弯曲，就像在一张拉直的布上放了一个重物，而发生了塌陷一样。

由于太阳的质量很大，所以太阳附近的时空就扭曲了，正好造成了水星的进动，而且爱因斯坦的计算结果也刚好符合观测结果。不过，当时的人们还是不认同广义相对论。

根据爱因斯坦的理论，光也会经过时空，在大质量天体的附近也会改变路径。当一个发光的天体处在另一个大质量天体后面的时候，我们也是有机会看到它的，只不过由于光线发生了弯曲，我们看到的天体位置并不是它原本的位置，这便是“引力透镜”现象。造成光线改变的大质量天体叫做透镜天体，它的周围常常会出现几个亮点，有时也能观测到这些亮点连成一个美丽的圆环，即“爱因斯坦环”。在透镜天体背后发出光线，并呈多个亮点的天体，则称为“源天体”。

在爱因斯坦发展广义相对的10年中，他意识到太阳的质量足以使这种效应引人注目。当然，检验这个预测并不容易，因为太阳光太耀眼了，我们在白天看不到它背后的星星。而晚上出现的星星并不是太阳背后的恒星，所以太阳并没有弯曲它们发出的光。只有当太阳出来了，但是它的光被挡住了，人们才能验证爱因斯坦的理论。这也是1911年，爱因斯坦研究广义相对论时，要求天文学家在日食期间观测天空的原因。

搜尋证据

第一个试图验证广义相对论的人是德国天文学家欧文·芬莱-弗伦德里希。他是一个悲剧性的人物，一生的大部分时间都致力于证明爱因斯坦弯曲光线的正确性，但从未成功。芬莱先是分析日食的照片，但是由于照片上的星星不够清晰，他便筹集了一笔钱前往乌克兰，因为在那里可以观察到1914年的日食。不幸地是，第一次世界大战爆发，俄国士兵俘虏了芬莱，没收了他的观测仪器。

除了芬莱，来自美国加州立克天文台的天文学家也试图在乌克兰基辅附近拍摄日食，但是却受到了大自然的阻挠：云层遮住了他们的视线。因此，在1914年，没有人能帮助爱因斯坦证明他的理论。不过，在这段时间里，爱因斯坦对自己理论中的一些小的计算错误进行了修正，最后出版了完整的广义相对论。

后来，一份爱因斯坦理论的副本落到了英国剑桥天文台主任阿瑟·爱丁顿的手中。爱丁顿相信爱因斯坦的理论，与英国天文学家弗兰克·沃森·戴森合作想出了一种解决争论的方法。

在1919年5月2 9日的日食期间，太阳将处于地球和毕星团之间。这是一个明亮的球形星团，拥有300多颗成员星。在日食期间，天文学家会有6分钟的时间来观测它。他们计划将日食期间拍摄的毕星团图像与几个月后毕星团在夜空中出现时的正常图像进行比较，观察光线是否有偏移以及偏移的程度。

爱丁顿与戴森深知拍摄日食的困难性，于是组织了两个队伍：爱丁顿前往非洲西海岸外的普林西比岛，另一队前往巴西索布拉尔岛。当1919年决定性的一天到来时，虽然天气并不十分理想，但是爱丁顿仍拍摄到了关键性的照片，证明了爱因斯坦的正确性。

随后，爱因斯坦的名字便家喻户晓，甚至成为了天才的同义词。不过，一些质疑的声音仍然存在，美国天文学家乔治·埃勒里·黑尔就曾在一封信中承认到，广义相对论仍让他难以理解。但进一步的日食观测继续为广义相对论提供依据。1922年澳大利亚的日食和1923年墨西哥的日食再次证实了相对论。

1919年的日食是爱因斯坦成为科学界超级巨星的第一步，也是最重要的一步，而真正让他名垂青史的是其理论的正确性。不过，科学一直在发展之中，新的理论也层出不穷，谁也不知道什么时候广义相对论就会被完全取代。

小贴士

水星的岁差、摄动和进动

岁差是指一个天体的自转轴指向在空中缓慢且连续的变化，例如，地球自转轴实际上是在旋转的，以大约25786年为周期扫出圆锥的形状。这是由于地轴并不是完全竖直的，地球也不是完美的球形，是太阳和月亮对地球和轨道面的引力有小角度造成的。岁差引起了90%的水星近日点进动。

摄动是指其他天体对作轨道运动的天体所施加的引力作用。对水星来说，主要是金星、地球和木星的摄动会引起近日点进动。

水星近日点每百年会进动5600角秒，在作了5025角秒的岁差校正和532角秒的行星摄动校正后，仍有43秒的世纪进动。