愛因斯坦與日食

張慧薇

100年前，阿爾伯特·愛因斯坦是德國柏林大學的一名教授，那時他的名字還沒有家喻戶曉，只為少數的科學家、知識分子和身邊的人所熟知。

1919年5月29日是一個重要的日子，尤其是對愛因斯坦來說，就在這一天，當月球剛好運動到太陽和地球之間時，日食證明了愛因斯坦廣義相對論的正確性，讓愛因斯坦一下子聲名大噪，成為了那個時期最具權威的科學家。而廣義相對論也取代了牛頓的引力理論，成為了解釋空間最有力的物理理論。

正值這個歷史性的日子100年之際，讓我們一起去了解這段歷史吧。

凝視太陽

1687年，艾薩克·牛頓發表了他的巨著《自然哲學的數學原理》，提出了萬有引力定律：宇宙中相隔一定距離的任意兩個有質量的物體間有引力的作用。根據牛頓的理論，空間只是一個固定的背景，引力造成了物體的運動。在一段時間內，牛頓的萬有引力理論很好地解釋了一些天體的運動，包括月球繞地球的運動，甚至還成功預測了海王星的軌道。

然而萬有引力定律也有很多問題，最典型的問題就是水星的進動問題。每個行星圍繞太陽以橢圓軌道運動，一般有遠日點和近日點，這些軌道并不是固定的，以太陽為中心，行星軌道會緩慢地變換位置。行星每轉一圈，其近日點便會發生偏移，稱之為近日點進動。偏移主要是由歲差和攝動引起的，但是利用牛頓定律的計算結果與實際的觀測結果之間存在著不可忽略的差異。1859年，法國天文學家勒威耶發現這一差異為水星近日點每100年進動38角秒（角度單位，1度等于3600角秒）;1882年，加拿大天文學家紐康對這一數值進行了校正，得出水星近日點進動值為每100年43角秒。于是為了解釋水星進動的現象，愛因斯坦提出了廣義相對論。

在1915年提出的廣義相對論中，愛因斯坦對牛頓提出了直接的挑戰。廣義相對論拋棄了引力將物體拉到一起的觀點，提出空間和時間一起形成了一個四維的東西叫做時空，而所謂的引力實際上是物體對時空的扭曲，一個物體的質量越大，時空的變形就越大，它附近的物質受到彎曲時空的影響而向它靠近。在原本平直的時空上放一個恒星，時空發生彎曲，就像在一張拉直的布上放了一個重物，而發生了塌陷一樣。

由于太陽的質量很大，所以太陽附近的時空就扭曲了，正好造成了水星的進動，而且愛因斯坦的計算結果也剛好符合觀測結果。不過，當時的人們還是不認同廣義相對論。

根據愛因斯坦的理論，光也會經過時空，在大質量天體的附近也會改變路徑。當一個發光的天體處在另一個大質量天體后面的時候，我們也是有機會看到它的，只不過由于光線發生了彎曲，我們看到的天體位置并不是它原本的位置，這便是“引力透鏡”現象。造成光線改變的大質量天體叫做透鏡天體，它的周圍常常會出現幾個亮點，有時也能觀測到這些亮點連成一個美麗的圓環，即“愛因斯坦環”。在透鏡天體背后發出光線，并呈多個亮點的天體，則稱為“源天體”。

在愛因斯坦發展廣義相對的10年中，他意識到太陽的質量足以使這種效應引人注目。當然，檢驗這個預測并不容易，因為太陽光太耀眼了，我們在白天看不到它背后的星星。而晚上出現的星星并不是太陽背后的恒星，所以太陽并沒有彎曲它們發出的光。只有當太陽出來了，但是它的光被擋住了，人們才能驗證愛因斯坦的理論。這也是1911年，愛因斯坦研究廣義相對論時，要求天文學家在日食期間觀測天空的原因。

搜尋證據

第一個試圖驗證廣義相對論的人是德國天文學家歐文·芬萊-弗倫德里希。他是一個悲劇性的人物，一生的大部分時間都致力于證明愛因斯坦彎曲光線的正確性，但從未成功。芬萊先是分析日食的照片，但是由于照片上的星星不夠清晰，他便籌集了一筆錢前往烏克蘭，因為在那里可以觀察到1914年的日食。不幸地是，第一次世界大戰爆發，俄國士兵俘虜了芬萊，沒收了他的觀測儀器。

除了芬萊，來自美國加州立克天文臺的天文學家也試圖在烏克蘭基輔附近拍攝日食，但是卻受到了大自然的阻撓：云層遮住了他們的視線。因此，在1914年，沒有人能幫助愛因斯坦證明他的理論。不過，在這段時間里，愛因斯坦對自己理論中的一些小的計算錯誤進行了修正，最后出版了完整的廣義相對論。

后來，一份愛因斯坦理論的副本落到了英國劍橋天文臺主任阿瑟·愛丁頓的手中。愛丁頓相信愛因斯坦的理論，與英國天文學家弗蘭克·沃森·戴森合作想出了一種解決爭論的方法。

在1919年5月2 9日的日食期間，太陽將處于地球和畢星團之間。這是一個明亮的球形星團，擁有300多顆成員星。在日食期間，天文學家會有6分鐘的時間來觀測它。他們計劃將日食期間拍攝的畢星團圖像與幾個月后畢星團在夜空中出現時的正常圖像進行比較，觀察光線是否有偏移以及偏移的程度。

愛丁頓與戴森深知拍攝日食的困難性，于是組織了兩個隊伍：愛丁頓前往非洲西海岸外的普林西比島，另一隊前往巴西索布拉爾島。當1919年決定性的一天到來時，雖然天氣并不十分理想，但是愛丁頓仍拍攝到了關鍵性的照片，證明了愛因斯坦的正確性。

隨后，愛因斯坦的名字便家喻戶曉，甚至成為了天才的同義詞。不過，一些質疑的聲音仍然存在，美國天文學家喬治·埃勒里·黑爾就曾在一封信中承認到，廣義相對論仍讓他難以理解。但進一步的日食觀測繼續為廣義相對論提供依據。1922年澳大利亞的日食和1923年墨西哥的日食再次證實了相對論。

1919年的日食是愛因斯坦成為科學界超級巨星的第一步，也是最重要的一步，而真正讓他名垂青史的是其理論的正確性。不過，科學一直在發展之中，新的理論也層出不窮，誰也不知道什么時候廣義相對論就會被完全取代。

小貼士

水星的歲差、攝動和進動

歲差是指一個天體的自轉軸指向在空中緩慢且連續的變化，例如，地球自轉軸實際上是在旋轉的，以大約25786年為周期掃出圓錐的形狀。這是由于地軸并不是完全豎直的，地球也不是完美的球形，是太陽和月亮對地球和軌道面的引力有小角度造成的。歲差引起了90%的水星近日點進動。

攝動是指其他天體對作軌道運動的天體所施加的引力作用。對水星來說，主要是金星、地球和木星的攝動會引起近日點進動。

水星近日點每百年會進動5600角秒，在作了5025角秒的歲差校正和532角秒的行星攝動校正后，仍有43秒的世紀進動。