最新最全的生活百科全书 百年诺贝-第8部分

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第三，光线弯曲的效应不可能用眼睛直观地在望远镜内或照相底片上看到，光线偏折的量需要经过一系列的观测、测量、归算后得出。要检验光线通过大质量物体附近发生弯曲的程度，最好的机会莫过于在发生日全食时对太阳所在的附近天区进行照相观测。在日全食时拍摄若干照相底片，然后等若干时间（最好半年）之后，太阳远离了发生日食的天区，再对该天区拍摄若干底片。通过对前后两组底片进行测算，才能确定星光被偏折的程度。　
这里还需要指出，即使是在日全食时，在紧贴太阳边缘处也是不可能看到恒星的。以1973年的一次观测为例，被拍摄到的恒星大多集中在离开太阳中心5到9个太阳半径的距离处（见图1），所以太阳边缘处的星光偏折必定是根据归算出来的曲线进行外推而获得的量。靠近太阳最近的一、二颗恒星往往非常强烈地影响最后的结果。　
图11973年日食观测所得的星光偏折值与恒星离开太阳距离的关系（《日全食》，206页）　
3　
在广义相对论光线弯曲预言的验证历史上，一个重要的人物就是英国物理学家爱丁顿（ArthurEddington1882…1944）。1915年爱因斯坦给出太阳边缘恒星光线弯曲的最后结果时，正值第一次世界大战各方交战正酣。处在敌对国家中的爱丁顿通过荷兰人了解到了爱因斯坦理论，并对检验广义相对论关于光线弯曲的预言十分感兴趣。一战结束后，爱丁顿说动了英国政府资助在1919年5月29日发生日全食时进行检验光线弯曲的观测。英国人为那次日食组织了两个观测远征队，一队到巴西北部的索布拉尔（Sobral）；另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛（Principe）。爱丁顿参加了后一队，但他的运气比较差，日全食发生时普林西比的气象条件不是很好。1919年11月两支观测队的结果被归算出来：索布拉尔观测队的结果是1。98〃±0。12〃；普林西比队的结果是1。61〃±0。30〃。＇7＇1919年11月6日，英国人宣布光线按照爱因斯坦所预言的方式发生偏折。　
但是这一宣布是草率的，因为两支观测队归算出来的最后结果受到后来研究人员的怀疑。天文学家们明白，在检验光线弯曲这样一个复杂的观测中，导致最后结果产生误差的因素很多。其中影响很大的一个因素是温度的变化，温度变化导致大气扰动的模型发生变化、望远镜聚焦系统发生变化、照相底片的尺寸因热胀冷缩而发生变化，这些变化导致最后测算结果的系统误差大大增加。爱丁顿他们显然也认识到了温度变化对仪器精度的影响，他们在报告中说，小于10°F的温差是可以忽略的。但是索布拉尔夜晚温度为75°F，白天温度为97°F，昼夜温差达22°F。后来研究人员考虑了温度变化带来的影响，重新测算了索布拉尔的底片，最大的光线偏折量可达2。16〃±0。14〃。＇8＇　
底片的成像质量也影响最后结果。1919年7月在索布拉尔一共拍摄了26张比较底片，其中19张由格林尼治皇家天文台的天体照相仪拍摄，这架专门用于天体照相观测的仪器聚焦系统出了一点问题，所拍摄的底片质量较差，另一架4英寸的望远镜拍摄了7张成像质量较好的底片。按照前19张底片归算出来的光线偏折值是0。93〃（《天文学名著选译》，p。460），按照后7张底片归算出来的光线偏折值却远远大于爱因斯坦的预言值。最后公布的值是所有26张底片的平均值，只不过前19张底片的加权值取得较小。1929年德国的研究人员对英国人的观测结果进行验算后发现，如果去掉其中一颗恒星，譬如成像不好的恒星，会大大改变最后结果（《日全食》，200…201页）。　
后来1922年、1929年、1936年、1947年和1952年发生日食时，各国天文学家都组织了检验光线弯曲的观测，公布的结果与广义相对论的预言有的符合较好，有的则严重不符合。但不管怎样，到二十世纪六十年代初，天文学家开始确信太阳对星光确有偏折，并认为爱因斯坦预言的偏折量比牛顿力学所预言的更接近于观测。但是广义相对论的预言与观测结果仍有偏差，爱因斯坦的理论可能需要修正。　
1973年6月30日的日全食是二十世纪全食时间第二长的日全食，并且发生日全食时太阳位于恒星最密集的银河星空背景下，十分有利于对光线偏折进行检验。美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲建造了专门用于观测的绝热小屋，并为提高观测精度作了精心的准备，譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、对整个仪器各个部分的温度变化进行监控等等。在拍摄了日食照片后，观测队封存了小屋，用水泥封住了望远镜上的止动销，到11月初再回去拍摄了比较底片。用精心设计的计算程序对所有的观测量进行分析之后，得到太阳边缘处星光的偏折是1。66〃±0。18〃（《日全食》，206页）。这一结果再次证实广义相对论的预言比牛顿力学的预言更符合观测，但是难以排除此前已经提出的布兰斯－迪克理论。　
表1多次日食期间对光线弯曲的光学观测结果＇9＇　
日期　
地点　
结果及误差（角秒）　
1919年5月29日　
Sobral　
1。98±0。16　
Principe　
1。61±0。40　
1922年9月21日　
Australia　
1。77±0。40　
1。42－2。16　
1。72±0。15　
1。82±0。20　
1929年5月9日　
Sumatra　
2。24±0。10　
1936年6月19日　
USSR　
2。73±0。31　
Japan　
1。28－2。13　
1947年5月20日　
Brazil　
2。01±0。27　
1952年2月25日　
Sudan　
1。70±0。10　
1973年6月30日　
Mauritania　
1。66±0。18　
光学观测的精度似乎到了极限，人们想到通过观测太阳对无线电波的偏折来检验广义相对论的预言。从1970年左右开始进行了这样的观测，1974年到1975年间，福马伦特（A。B。Fomalont）和什拉梅克（R。A。Sramek）利用甚长基线干涉技术，观测了太阳对三个射电源的偏折，最后（1976年）得到太阳边缘处射电源的微波被偏折1。761〃±0。016〃。终于天文学家以误差小于1％的精度证实了广义相对论的预言，到1991年利用多家天文台协同观测的技术，以万分之一的精度证实了广义相对论对光线弯曲的预言。只不过这时观测的不再是看得见的光线而是看不见的无线电波。　
表2太阳对无线电波偏折的射电观测结果＇10＇　
年　
地点　
观测值与广义相对论预言值之比　
1970　
OwensValley　
1。01±0。11　
1970　
Goldstone　
1。04±0。15　
1971　
（American）NationalRAO　
0。90±0。05　
1971　
MullardRAO　
1。07±0。17　
1973　
Cambridge　
1。04±0。08　
1974　
Westerbork　
0。96±0。05　
1974　
Haystack/National　
0。99±0。03　
1975　
（American）NationalRAO　
1。015±0。011　
1975　
Westerbork　
1。04±0。03　
1976　
（American）NationalRAO　
1。007±0。009　
1984　
VBLI　
1。004±0。002　
1991　
VBLI　
1。0001±0。0001　
4　
根据前述的对光线弯曲的验证历史，似乎就存在这样一个疑问：难道只能说直到1973年甚至1991年才能说爱因斯坦的广义相对论才成为“正确”的理论？为了消解这个疑问，笔者认为需要在三个层面上谈广义相对论的正确性问题，　
第一个层面是在一般公众眼里广义相对论的正确性问题。　
在1919年11月6日召开的英国皇家天文学会和皇家学会联合举行的大会上，天文学家罗伊尔宣布：“星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生偏折”。第二天，历来谨慎的英国《泰晤士报》（Times）赫然出现醒目的标题文章：“科学中的革命”，两个副标题是“宇宙新理论”、“牛顿观念的破产”（Pais；p。306…307）。1919年12月14日《柏林画报》（BerlinerIllustrierteZeitung）周刊的封面刊登了爱因斯坦的照片，并配上这样的标题说明：“世界历史上的一个新伟人：阿尔伯特？爱因斯坦，他的研究标志着我们自然观念的一次全新革命，堪与哥白尼、开普勒、牛顿比肩。”（Pais；p。308）　
从广义相对论提出之后半个多世纪里人们对光线弯曲预言的检验情况来看，1919年所谓的验证在相当程度上是不合格的。但毋庸置疑的是，爱因斯坦因这次验证的公布获得了极大的荣誉。在媒体的宣传下，爱因斯坦迅速成为一个传奇人物，一个万人敬仰的英雄。1921年爱因斯坦首次访问英国，下榻在负责接待的霍尔丹勋爵在伦敦的住所，霍尔丹的女儿见到这位著名的客人来到她家时激动得晕了过去。　
英雄的行为总与正确、正义等属性联系在一起。在那个世界上还没有几个人能理解广义相对论的年代，《泰晤士报》和《柏林画报》等媒体的读者们显然大多已把广义相对论当作正确的理论接受了。而事实上，如今的媒体和大多数科学史家、科学哲学家也都把1919年的日食观测当作证实了爱因斯坦理论的观测。＇11＇　
第二个层面是广义相对论提出者爱因斯坦本人眼里广义相对论的正确性问题。　
爱因斯坦是如何看待他的理论作出的预言和观测验证的呢？早在1914年，爱因斯坦还没有算出正确的光线偏折值，就已经以十分的自信在给贝索（Besso）的信中说：“无论日食观测成功与否，我已毫不怀疑整个理论体系的正确性（correctness）。”（Pais；p。303）　
还有一个故事也广泛流传，说的是当光线弯曲预言被英国人的日食观测证实的消息传来时，爱因斯坦正在上课，一位学生问他，假如他的预言被证明是错的，他会怎么办？爱因斯坦回答说：“那么我会为亲爱的上帝觉得难过，毕竟我的理论是正确的。”（Pais；p。30）　
关于广义相对论的预言和观测验证，爱因斯坦有他自己的观点。1930年爱因斯坦写道：“我认为广义相对论主要意义不在于预言了一些微弱的观测效应，而是在于它的理论基础和构造的简单性。”（Pais；p。273）在爱因斯坦看来，是广义相对论内在的简单性保证了它的“正确”性。1919年的证实确实给爱因斯坦带来了荣誉，但那是科学理论之外的事情；1919年的证实或许还让更多的人“相信”广义相对论是“正确”的，但这种证实很大程度上只是起到了“说服”的作用。　
从科学史上来看，精密的数理科学的进步模式确实有着这样的规律和特点：它们往往是运用了当时已有的最高深的数学知识而构建起来的一些精致的理论模型，它们的“正确”性很大程度上由它们内在的简单性和统一性所保证。虽然它们必然会给出可供检验的预言，譬如哥白尼日心说预言了恒星周年视差，爱因斯坦广义相对论预言了光线弯曲，霍金的黑洞理论预言了霍金辐射，但不必等到这些预言被证实，那些理论就