1919年是一个微妙的年份

@Ent_evo:整整100年前的今天,英国天文学家爱丁顿和戴森分别带队在西非和南美观测了一次日全食,这次观测的结果证明爱因斯坦的广义相对论关于引力的预言是成立的,而牛顿的结论是错的。

假如是写一句话科技日历,那这一句确实是够了,但实际上这次观测无论是过程还是结果,都相当复杂。

1919年是一个微妙的年份。虽然一战名义上已经停火,但是战胜国对如何瓜分战败国殖民地依然争执不休,世界局势并没有安定下来。把仪器在动乱中千里迢迢运往遥远南半球的陌生地点,并且保证其精确度,本身就是巨大的挑战(并且让研究者吃了大亏,险些导致观测失败)。

而此时的爱因斯坦还远远不是那个人尽皆知的乱蓬蓬头发科学家。他在柏林的相对论演讲被推迟,因为战后的学校缺煤,没法给演讲厅供暖;而他在苏黎世的演讲因为只有15个人报名,被校方取消了。

但是他的预测传到了英国:当太阳经过一颗星星的前面时,太阳的引力会让星光弯曲,使得星星看起来位置发生了移动,且移动的值是可以计算的。正常情况下,因为太阳很亮,它边上的星星看不见,观测也就无从谈起。但是如果发生了日全食,那么太阳既弯折了星光,又不会把星光挡住,我们就应该能看到星星位置的偏移。

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在英国,爱丁顿和戴森计算出了全食带的分布——一条狭长的带子,从非洲延伸到南美。但是要找一个天气良好、日食长度足够、太阳高度不太低、附近有港口铁路和电报站的地方,并非易事。最终巴西的索布拉尔和西非的普林西比两处入选:前者在铁路线上,且雨季据经验会在5月结束;而后者是葡萄牙的可可殖民地,有定期蒸汽船和欧式基建。戴森拿到了1000英镑的巨款,决定把它拆成两半,派两支队伍去两个地方同时观测。

然后是仪器问题。因为地球在旋转,所以太阳和星星在日食期间都会在天空中移动。对于如此高精度的观测,这种移动是无法接受的。一种方案是把望远镜装在一个架子上,让架子旋转来抵消地球转动,但是对于远征队而言,缺乏好的基建,移动大望远镜带来的震动风险太大了。另一种方案则是大望远镜不动,但前面放一组镜子,依靠镜子的旋转来抵消。格林威治天文台有一组这样的镜子,但是仪器老化不可靠,需要官僚审批和复杂的校准工作,爱丁顿担心无法及时完成,就带了几台4英寸小望远镜作为后备——这些后备最终救了他一命。

临出发前,考虑到他的同事们大多对相对论没有什么兴趣,爱丁顿写了一篇文章把这次实验的详情介绍给了他的同事。这篇文章里他做了一件特别精明的事情:宣布说实验会有三种可能。其一,日食期间,太阳边上的星光没有偏转。其二,有1.75角秒的偏转,这是爱因斯坦的预言。其三,有0.87角秒的偏转,这是支持牛顿的结果。

严格说来,实验会得到什么结果有很多种可能。但是爱丁顿以这样的方式呈现它,就把这次远征塑造成了牛顿vs爱因斯坦的世纪对决:一个年轻的德国人是否会推翻有史以来最伟大的思想者。这样一来,这次观测就有了一个故事。

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5月29日那天,索布拉尔多云。月亮刚刚碰到太阳的时候,天空还有大概90%被云覆盖。但是戴森的小组运气很好,随着全食的逼近,云迅速地散开了。天空暗下来的时候,黑色的太阳端坐在一片无云的天空区域里。大望远镜拍下了19张照片,小望远镜拍下了8张,一切顺利。

普林西比的爱丁顿小组就没有这样的好运了。观测组当天一大早起来,一场暴雨就劈头盖脸浇了下来,直到中午才停,爱丁顿觉得自己“几乎丧失了一切希望”。等到下午2点大家看到太阳的时候,它已经被月亮遮挡得只剩一个边了。2点13分5秒是全食开始的时间,太阳依然在云里忽隐忽现,而天文学家只能原样实施事先定好的观测和记录,“全凭信念执行我们的拍照计划”。

照片会就地冲印出来,因为长途旅行可能会损伤脆弱的玻璃底片。索布拉尔的小组第二天晚上就冲出了四张照片,但他们震惊地发现,照片上的星星出现了微小的扰动,仿佛望远镜的焦距被改变了。

研究者检查了望远镜的设置,发现焦距确实是设在了11毫米没变。那么只有一种可能:用来反光的镜子在热带的太阳照耀下,因为热胀冷缩发生了形变,干扰了结果。这一扰动对于普通的日食观测无关紧要,但是对于验证广义相对论而言却是致命的。谢天谢地,之前用来备份的4英寸小望远镜拍出的照片没有遭遇这个问题。所以还有希望。

与此同时,普林西比的小组洗出的前9张照片上几乎一颗星星也没有,直到最后的7张才有了一点希望。爱丁顿于是投身于艰苦的计算之中。

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其实这时观测并没有结束,因为天文学家只拍到了有太阳时的星星位置,他们还需要等待两个月,等太阳远离这片天区,再拍下没有太阳时星星的位置,作为对比。

但是爱丁顿的小组这时又遭遇了一个意外。因为劳工变故,普林西比和里斯本之间的蒸汽船航班出了问题。如果他们不立刻搭船返回的话,下一班航船就天知道什么时候才有了。因此,他们只得在没能拍下对照的情况下提前回国。

爱丁顿没有放弃,他预料到了这种场景的可能性,所以实施了后备方案:把普林西比的有太阳的结果和牛津的没有太阳的结果相对比。因为牛津和普林西比之间很可能有些别的差异,所以爱丁顿在普林西比的时候就特意拍摄了一个远离太阳的天区,拿回来和牛津的同一天区做比较,再把这个差异纳入他的计算之中。

最后,普林西比的16张照片里有7张里拍到了偏移最高的两颗星,但是准确计算偏移需要至少5颗星作为参照,7张照片里只有2张满足要求。这2张给出的结果,是1.61+- 0.30角秒。这个精度不怎么样,但足以支持爱因斯坦的1.75角秒的预测了。

而索布拉尔的戴森小组,全靠那架备用的4英寸望远镜救命:8张照片里有7张拍下了全部希望测量偏移的7颗星。他们得到了一个精度好得多的结果:1.98+-0.12角秒。因为无法直接和柏林通信,他们委托荷兰物理学家洛伦兹代发电报给爱因斯坦。我们不知道他收到当时是什么反应,但是想必很得意,因为后来他把这封电报给每个来他家的人都看了一遍。

最终的结果在11月6日发布,会议现场人山人海,数学家怀特海回忆说“整个气氛和一出希腊戏剧一模一样”。第二天伦敦泰晤士报刊发了头条“科学的革命”,然而误把“物理学家爱因斯坦”(physicist)写成了“外科医生爱因斯坦”(physician)。不管怎么说,这个未来家喻户晓的名字,凭借爱丁顿与戴森的观测和宣传,此刻才第一次被大众得知。

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