爱丁顿观察日食以检验广义相对论

来源：中科院高能所

萧如珀1 杨信男2译

1自由业；2.台湾大学物理系

当爱因斯坦于1915年发表广义相对论时，他提出三个关键性的验证，并在给伦敦泰晤士报的信中强调说，假如三个中任一有相悖的情况，整个理论就会瓦解

•水星近日点进动

•光线在引力场的偏折

•引力红移

爱因斯坦一完成他的理论，马上计算水星近日点进动，当广义相对论给出正确的结果时，他很激动，久久不能自己。第二个经典的测试是光线在引力场的偏折，这是爱丁顿爵士最先于1919年完成的。

1882年12月，爱丁顿诞生于贵格会家庭，2岁时父亲即因英格兰爆发伤寒大流行而病逝。当他还是小孩时，爱丁顿即深深着迷于夜晚的天空，时常试着数他能看到的星星。起先，爱丁顿在家自学，但当他开始上学后，他数学非常好， 16岁时获得了奖学金，进入曼彻斯特的欧文学院就读，主修物理，并以一级荣誉毕业，很快又获得了另一个奖学金到剑桥大学三一学院就读。

爱丁顿于1905年完成他的硕士学位。他先在卡文迪什实验室研究热离子发射，之后尝试数学研究，但都没成果。在短暂教授数学之后，他再次发现最初的爱好：天文学。终于他在格林威治皇家天文台谋到一份工作，专门研究恒星的结构。1914年，他已升为剑桥天文台台长，并获颁皇家学会会士及皇家奖章。

在爱丁顿担任皇家天文学学会秘书期间，德西特寄给他有关爱因斯坦新的广义相对论的信件和论文。在那个对于德国物理学家的任何研究都还有相当战时敌意和怀疑的年代，爱丁顿成了爱因斯坦最大的传道人。他很快地投入研究，要证实广义相对论其中一个主要的预测。

因为天体的质量会引发时空弯曲，所以爱因斯坦预测光线应该也会跟随时空而很轻微地弯曲。牛顿也预测光线在重力场会弯曲，但弯曲程度只有一半。到底哪一个预测比较准确呢？科学家因为要测量如此微小的曲率在当时是远超过他们的实验能力而裹足不前。

结果是英国的皇家天文学家戴森爵士建议组织一个考察团于1919 年5月29日去观测日全食，来解决此问题。爱丁顿很乐意带领这个考察团，但一开始这个探测任务被耽搁了。当时第一次世界大战鏖战正酣，工厂为应付国家军队的需要忙得不可开交，根本无暇制造所需的天文仪器。战争于1918年11月结束后，科学家只有5个月的时间来整合准备这次的探测。

1919年的1月和2月，爱丁顿先在夜间对毕宿星团恒星的位置做了基准测量。在日蚀期间，太阳会越过该星团，因此可看到星光。将一个恒星位置的基准测量，和在日食期间在太阳边缘可见到这个恒星的对应测量做比较，即可判定是爱因斯坦或是牛顿的推论正确。

随后爱丁顿出发到非洲西海岸外一个偏僻的小岛——普林西比岛，另派第二支船队到巴西索布拉尔，以防万一天公不作美，乌云遮住视线。结果证明这是一个明智的决定，日食当天下大雨乌云密布，爱丁顿的团队都很沮丧，但在日全食时天空够明亮，让他们得以作测量。巴西队也有他们的难题，热带的热气使得他们大望远镜内的金属变形了，他们被迫用一个小一点的10cm备用仪器。

爱丁顿于1919年5月29日所拍摄的一张日食照片，用在他1920年的论文中，以解说并宣布成功地验证广义相对论。

经过两队分析他们的结果后，他们发现他们的测量都在爱因斯坦预测的两个标准偏差之内，是牛顿的两倍，因此支持爱因斯坦的新理论。爱丁顿观测的消息很快地传播开来，引起传媒轰动，爱因斯坦一夕间成了全球的名人。（当他的助理问他，如果测量失败，他会怎么想，据说爱因斯坦开玩笑说：“那我会为亲爱的上帝感到难过。但无论如何理论是正确了。”）

然而并不是每个人都很快地接受这样的结果，有几位天文学家质疑爱丁顿操纵数据，因为他舍弃从巴西队变形的望远镜得到的数值，那结果比较接近牛顿的数值；另有几位质疑他的影像质量是否足够下这样决定性的结论。美国加州利克天文台的天文学家于1922年日食时重复测量，得到相似的结果，1953年和1973年日食期间的团队所做的测量结果也一样。每一次的新结果都比上一个结果更好，所以到了20 世纪60年代，大多数的物理学家都接受了爱因斯坦对光会偏斜多少的预测是正确的。

爱丁顿的事业长久而卓越，后因罹癌症而于1944年11月病逝。他除了有许多科学的贡献外，还曾对他知名的1919年测量写了模仿《鲁拜集》（TheRubaiyat of Omar Khayyam）的抒情四行诗：

Oh leave the Wise our measures to collate

One thing at least is certain, LIGHT has WEIGHT,

One thing is certain, and the rest debate-

Light- rays, when near the Sun, DO NOT GO

STRAIGHT

（啊别管智者我们来校对测量

至少可确定一事，光有重量

这事确定，其他有待考量-----

光线，靠近太阳时，不走直线。）