100周年-广义相对论的首次实验检验

文 | Luís C. B. Crispino, Daniel J. Kennefick

译 | 杨星宇

爱因斯坦的广义相对论是科学史上最重要的成就之一。因此，其一个世纪前的实验验证是一个值得隆重庆祝的重要里程碑。我们重新评估了使得这些测量成为可能的两组观测队其中一组的重要性，这是一个惊险与科学交织的故事。

在他们那篇宣告成功检验了爱因斯坦广义相对论的著名文章中[1]，弗兰克·沃生·戴森（Frank Watson Dyson），亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）和查尔斯·兰朵·戴维森（Charles Rundle Davidson）在结论部分写道，“总结两组观测队伍所获得的结果， 最大的贡献来源于索布拉尔（Sobral）的4英寸望远镜。从优越的成像质量和更大的照片尺寸可以看出，这些结果将被证明是最可靠的。”

1919年5月29日日全食期间，两支英国观测队分别在非洲西海岸的普林西比岛（Príncipe Island），和巴西东北部的索布拉尔市，进行了这次实验检验。

爱丁顿和埃德温·特纳·科廷汉姆（Edwin Turner Cottingham）携带牛津天体照相仪前往普林西比岛，此仪器含有一个16英寸的太阳望远镜（coelostat）-使用一个镜子用以巡天，从而可以在保持星体成像清晰的同时省去笨重的望远镜支架。安德鲁·克劳德·德拉·凯罗伊斯·克罗姆林（Andrew Claude de la Cherois Crommelin）和戴维森携带两台望远镜（也含有太阳望远镜）前往索布拉尔，一台是13英寸的格林威治天体照相仪，另一台是具有4英寸镜头的后视望远镜（参见图1）。

图1 - 1919年安装于巴西索布拉尔的望远镜。由英国伦敦科学博物馆/科学与社会图库提供。

两支英国队伍于3月8日从利物浦共同启程，登上轮船安塞姆号。他们在马德拉岛会合，随后两队分开。爱丁顿和科廷汉姆在岛上滞留了一个多月，直到登上另一艘轮船葡萄牙号，并于4月23日抵达普林西比。克罗姆林和戴维森则是继续乘坐安塞姆号，直到3月23日抵达巴西的贝伦。由于距离日食日期还早，他们决定留在安塞尔姆号上，与之一起在亚马逊河上进行近千英里的往返马瑙斯的航行。在他们逗留贝伦期间，他们一篇论文的译稿在当地报刊上发表。由于战时科学交流不畅，爱因斯坦新理论的新颖之处当时在国外鲜为人知，这篇论文是第一份在美洲出版的讲述广义相对论的印刷文本（参见图2）[2]。克罗姆林和戴维森随后乘船和火车前往索布拉尔，在那里巴西和北美的观测队伍加入了他们。巴西的队伍由国家天文台主任亨利克·莫利兹（Henrique Morize）领导，他为协助英国观测队的准备工作做了很多（参见图3）。

图2  -  1919年4月20日在贝伦出版的报纸《Estado do Pará》的封面，其中包含克罗姆林和戴维森署名文章的译稿。由巴西帕尔的Biblioteca Pública Arthur Vianna提供。

图3  -  英国，北美和巴西的团队在索布拉尔。由巴西里约热内卢的Museu de Astronomia e Ciências Afins提供。

在日食的那一天，索布拉尔和普林西比的观测人员都遭遇了不利的天气。在初亏（first contact），即日偏食开始的时候，两地的太阳都被云层所遮挡。然而幸运女神眷顾了在索布拉尔的戴维森和克罗姆林，在日全食前一会儿，太阳周围的天空晴朗无云，两台望远镜都拍摄到了很好照片。

爱丁顿和科廷汉姆使用安装在普林西比的望远镜拍摄了16张照片。冲洗底片时爱丁顿发现，临近日全食末期，云层逐渐变薄，从而使得有几张底片上有一些恒星能够成像。为了避过一次轮船罢工，他们没有在普林西比多加逗留，于6月12日返程，并于7月14日回到利物浦。这意味着他们没有在普林西比获取对照底片。取而代之的是，这些在晚上没有太阳情况下对相同星场（star field）进行拍摄而获得的对照底片，在他们从牛津出发前就已经拍摄完成了，彼时望远镜仍安装在其圆顶上。为了防止望远镜放大率在两种完全不同的实验条件下产生变化，他们在两地都拍摄了大角星（Arcturus）的不同星场用以核对。

克罗姆林和戴维森用天体照相仪拍摄了19张照片，用4英寸镜头望远镜拍摄了8张照片。然而，正如他日记中所记载，在日食后的几天冲洗底片时戴维森发现，天体照相仪在日食期间没有对焦，星体成像严重失真。他当时的评论是“看来能从这些底片中获得多少有用信息还很难说”[3]。尽管后来在格林威治进行了分析数据，但最终这些从索布拉尔天体照相仪底片所获得的结果被舍弃。

7月份，克罗姆林和戴维森在索布拉尔拍摄了日食星场的对照组照片，然后于8月25日返回英格兰。那时爱丁顿已经对他的数据进行了分析，正如他于9月份在不列颠科学促进会的一次会议上所报告的那样，数据分析表明光线的偏折程度介于爱因斯坦所做的两个不同预测之间。爱因斯坦的荷兰同事亨德里克·洛伦兹（Hendrik A. Lorentz）通过电报给他传达了这个消息，随后诞生了那句著名的爱因斯坦式妙语——他很高兴上帝让自然与他的理论一致。然而，爱丁顿的测量在最终结果中所占权重很小，因为他所获得的能够成像的恒星数量很少。一切结果都取决于对在索布拉尔所获得的数据的分析，这是在戴森的指导下在格林威治进行的。

近几十年来，关于1919年那次日食及其结果的评论主要集中在爱丁顿及其所起的作用上，包括他所谓的亲爱因斯坦偏见[4]。可以说，其他参与行动的天文学家都在爱丁顿（和爱因斯坦）的盛名下黯然失色。戴森预料到了这一点。他对他的女儿说：“如果将来人们记得我，那将是因为我与爱丁顿的关系。人们会说 - 戴森？哦，是的 - 在爱丁顿担任首席助理时，他是皇家天文学家”[5]。对爱丁顿的过度关注导致人们往往倾向于关注他在普林西比的工作站，而索布拉尔则被人们置之脑后。由于在索布拉尔的天体照相仪出现的那些问题，今天很多人都认为索布拉尔观测队起了相对次要的作用。然而事实上，它对整个事件的成功至关重要。

正如戴森，爱丁顿和戴维森在他们的报告中所述的那样，该实验试图对三种不同的理论预测进行检验。第一个是19世纪光的波动说中的固有假设，即光没有质量并且不受引力的影响。因此，太阳的存在不会导致恒星光线偏折。第二种可能性是爱因斯坦所提出的等效原理导致的结果。在这种观点中，光具有能量，这意味着它具有质量。因此，当经过太阳时它会落向太阳，导致恒星表观位置产生一个远离太阳的小偏折（0.87角秒）。最后，在进一步发展广义相对论，认识到引力会改变时空几何后，爱因斯坦意识到由于太阳附近的曲率，光线会有一个额外的偏折。这使得他对光线偏折的最终预测（1.75角秒）变成了原来的两倍。在爱丁顿和戴森的报告中，他们将第二种理论预测（“半偏折”）归功于牛顿，理由是此种预测与根据牛顿引力定律中带质量光子与太阳相互作用的结果是一致的[6]。

1919年11月6日，在伦敦皮卡迪利的伯灵顿大厦举行了皇家学会和皇家天文学会联合会议，宣布爱因斯坦理论被证实。全球各地的报纸杂志都注意到了这一消息，随后爱因斯坦和他的理论声名远播（参见图4）。

图4  -  1919年11月22日版《伦敦新闻画报》的页面。由英国伦敦的《伦敦新闻画报》提供。

在宣布之后，观测队的结果多年来一直受到质疑广义相对论的人的仔细审查。但是随后在1922年的那次日食中，类似的星光偏折测量证实了广义相对论对牛顿理论的胜利。然而近几十年来，一些物理学家和科学史家表达了对1919年那次实验结论可靠性的质疑[7]。这些现代的质疑主要集中在舍弃索布拉尔天体照相仪数据这一决定上。有人宣称，这一决定应由爱丁顿对广义相对论的偏爱态度负责。

三台望远镜的底片可以得到以下结果（参见表格）。索布拉尔天体照相仪的结果接近所谓的“牛顿”结果（“半偏折”）。爱丁顿的普林西比数据得到了介于半偏折与完整广义相对论偏折之间的结果，但更接近后者。索布拉尔的4英寸望远镜的结果则略高于广义相对论预测。声称爱丁顿错误地舍弃了索布拉尔天体照相仪数据这一说法在很多方面都站不住脚。首先，是戴森而不是爱丁顿在与戴维森协商后决定舍弃这些数据。戴森并不像爱丁顿那样对广义相对论有偏爱。其次，对戴森数据分析表的一项研究表明，他和他的团队分析了他们的天体照相仪数据，分析表明，除了在日食期间没有对焦外，只有仪器的放大率经历了大幅度的变化，结果才会与牛顿结果一致[8]。换句话说，只有当天体照相仪故障时，其数据才能证实牛顿定律。如果假设放大率没有改变，他们计算出索布拉尔天体照相仪会与爱因斯坦和其他两个望远镜的结果一致（参见表格）。此外，根据戴维森在数据分析开始之前的判断，他认为他在日食期间操作的仪器不可靠。

七十年代末，皇家格林威治天文台（RGO）的天体测量小组为这场辩论提供了一个被人们所忽视的现代贡献[9]。受1979年爱因斯坦诞生一百周年的启发，他们取出了在索布拉尔的两台望远镜的底片，并用现代的底片测量仪重新测量它们（参见表格）。他们使用电子计算机上的天体测量数据缩减软件减少了数据。在1919年，主要的计算机是戴维森本人，他19世纪就在格林威治工作了，当时的计算机就是一个被雇佣来手工解决问题的人。这支由安德鲁·默里（Andrew Murray）领导的团队，不仅证实了4英寸望远镜的结果及其声称的错误，而且还发现天体照相仪的结果与戴森及其团队在笔记中计算出的另一数值（在他们报告中被简要提及）非常接近。因此，这种现代的重分析为戴森所做出的关键决策——拒绝接受天体照相仪的首次数据分析貌似证实了牛顿理论，提供了充分的理由。

表 - 从1919年底片获得的实验测量值（以角秒为单位）。左栏为实验仪器，中栏为1919年获得的结果[1]，包括基于索布拉尔天体照相仪数据的两种不同的计算结果，右栏为后来皇家格林威治天文台对索布拉尔底片重新测量所获得的结果[9]。

不幸的是，近来关于索布拉尔天体照相仪数据的争议导致一些读者产生某种印象，即在索布拉尔没有获得可靠的数据，实验定论归属于在普林西比的爱丁顿。这种印象非常错误。爱丁顿本人没有错误，只是因为缺乏数据。只有通过那台在索布拉尔的由戴维森进行大修且由克罗姆林操作的4英寸望远镜所拍摄到的超高质量照片，才能得到支持爱因斯坦理论的那个著名结果。值此百年纪念之际，这两个人和戴森在这个伟大科学事业中的贡献，应该与爱丁顿一起恢复到其正确的位置上。

首次实验验证100年后，广义相对论经历了由LIGO / VIRGO合作组探测到引力波带来的另一个胜利时代。这次探测揭示了数十倍太阳质量黑洞的存在，也开创了多信使天文学的新时代。毫无疑问，随着现有探测器灵敏度的不断提高，更多的发现在等待着我们，我们也期待着相对论那同样激动人心的第二个一百年。

为了纪念这次历史性日食的一百周年，人们筹备了许多庆祝活动。葡萄牙相对论与引力学会正在普林西比岛组织一次会议，巴西科学进步协会也正在索布拉尔举行会议。幸运的是，此次百年纪念将引起人们对格林威治团队在一百年前历尽艰辛前往索布拉尔去完成科学史上最伟大的实验之一中所发挥的重要作用的关注。