愛因斯坦的1919

「科學革命：牛頓的思想被推翻了！」

「宇宙的新理論！」

「天空中所有的光線都偏斜了」

「愛因斯坦的偉大勝利！」

......

1919年11月，這些標題出現在了全世界媒體的頭版頭條。一瞬間，阿爾伯特·愛因斯坦成為了家喻戶曉的名字。

1.

回到100年前的5月，英國天文學家阿瑟·愛丁頓帶領了一組科學考察隊抵達了西非的普林西比島。5月29日，他在那裡目睹並記錄了在天空中發生的一次壯觀的事件：日全食。

日全食是一種絕妙的神奇體驗。當它發生時，空氣逐漸變冷，光線慢慢變暗，可能鳥兒也突然安靜了下來……接著，太陽會短暫地消失在我們的視野之中。

如今，觀測日全食是非常直截了當的一件事，但一個世紀以前，情況卻遠非如此。當時，世界剛剛從第一次世界大戰中復甦，科學資源相當貧乏，攝影技術也相對原始，炎熱潮濕的天氣使儀器難以對焦，而且還有一個難以擺脫的障礙——雲。

愛丁頓無疑會為這些風險擔憂，但這並不會阻撓他的行動，因為這次觀測能夠證明或反駁現代科學中最具革命性的科學理論：廣義相對論。

2.

1915年11月，愛因斯坦向普魯士科學院遞交了全新的引力理論——廣義相對論。在愛因斯坦的理論中，引力並非像艾薩克·牛頓所認為的那樣是一種作用於物體之間的力，而是一個物體的質量導致空間彎曲的結果。愛因斯坦寫下的方程解釋了物質如何彎曲時空，以及彎曲的時空告訴物質該如何運動。

廣義相對論完美地解釋了牛頓理論無法解釋的水星近日點進動問題，但這還不夠！要讓所有人都接受新理論，那麼就需要能夠檢驗新理論所做出的種種預測。

根據廣義相對論，愛因斯坦預測在日全食期間，恆星的位置看起來會發生變化，這是因為當遙遠星光經過太陽附近時，太陽的質量會扭曲周圍的時空，所以星光會發生偏折。

當時，第一次世界大戰正如火如荼的進行著。第二年，儘管通訊渠道因戰爭而被中斷，愛丁頓和天文學家弗蘭克·沃生·戴森還是設法獲得了愛因斯坦發表的論文。戴森立刻意識到，1919年5月的日全食將是驗證愛因斯坦預測的絕佳機會。

事實上，愛因斯坦在1912年便已經發展了廣義相對論的早期版本。通過新理論，他計算出當恆星發出的光經過太陽附近時，光線會發生偏折的角度。為了驗證他的計算，愛因斯坦說服了年前的天文學家Erwin Finlay-Freundlich帶領一個觀測團隊前往克里米亞，因為在1914年8月21日，在那裡將會發生一場日全食。不幸的是，由於德國向俄羅斯宣戰，Erwin在旅途中也因間諜罪遭到監禁。然而，這對於愛因斯坦而言卻是不幸中的大幸，因為他的方程並不完全正確，因此也就沒有給出正確的預言。如果Erwin成功地進行了觀測，那麼將證明愛因斯坦是錯誤的。到了1915年，愛因斯坦才提出了廣義相對論的最終版本。

3.

在日全食期間，月亮的圓盤會經過太陽的前面，遮住它耀眼的光芒，讓天文學家能夠研究背景恆星相對較暗的光線。通過比較某一特定星團在平時的照片和它們在日全食期間的拍攝照片，應該能夠看出恆星的位置是否如預測般發生變化。

由於意識到拍攝日全食將會有多麼的困難，所以除了愛丁頓率領的團隊，還有另一隻科考隊前往了巴西北部的索布拉爾。兩支考察隊都是由戴森組織的，他們要研究的都是金牛座畢星團中的恆星，因為日全食會經過這一星團。如果這些恆星的位置確實發生了位移，就說明太陽的質量導致了空間的彎曲。

實際上，牛頓的理論也預測了日全食期間恆星的位置會發生變化，但偏差會比愛因斯坦的理論預測的要小。

因此，愛丁頓面臨的是一個令人畏懼的雙重問題：他能夠探測到恆星位置的任何變化嗎？他能足夠精確地計算出位置的變化是支持牛頓的理論還是愛因斯坦的理論嗎？根據牛頓理論，恆星的位置會偏折0.87弧秒，而愛因斯坦則計算出會偏折1.74弧秒。鑒於1弧秒是1度的1/3600分之一，因此要區分如此微小的差異將是一件非常艱難的任務。

而且出乎意外的是，普林西比島的情況比愛丁頓預想的還要糟糕得多。他們不僅需要在蚊帳內工作，還要驅趕不斷試圖偷取裝備的猴子。在29日的清晨，愛丁頓和他的助手是在暴風雨中醒來。

當日全食發生時，雲層慢慢地散去，天空中仍有斷斷續續的薄霧。愛丁頓拚命地工作，只成功獲取了16張底片。後來，他發現其中只有兩張含有足夠的恆星來判斷它們的光是否被彎曲了。

而在索布拉爾，由皇家格林威治天文台的天文學家安德魯·克羅姆林領導的小組經歷了更好的觀測條件。然而，令他們驚恐的是，他們隨後發現用主望遠鏡拍攝的所有19張照片都沒有對焦，太陽的熱量導致鏡片不均勻地膨脹，產生了模糊的圖像。但幸運的是，使用較小的備用望遠鏡的其他8張底片獲得了完美的結果。

考察隊的科學家在8月的時候聚在一起，開始測量底片上恆星的位置。他們得到了兩組結果。從索布拉爾圖片中，他們發現星光偏折了1.98 ± 0.16弧秒，而普林西比島給出的結果是1.61 ± 0.40弧秒。

這些發現雖然是基於有限的數據，但卻與愛因斯坦的預測一致。這是一個轟動性的結果，它使這次日全食可能成為歷史上最重要的日全食。

11月6日晚，包括戴森、愛丁頓和克羅姆林的研究小組帶著數據和分析，站在倫敦皇家學會擁擠的會議前，宣布了他們的發現。是的，牛頓的理論被推翻了！英國皇家學會主席、諾貝爾獎得主湯姆孫宣布：「這是自牛頓時代以來，在引力理論方面取得的最重要的成果。」

可想而知，在接下來的幾天內，全世界的媒體都瘋狂地在報道這一觀測結果。愛因斯坦也因此成為了可以與牛頓比肩的物理學家。

4.

這一結果打開了全新的時代。隨後的日全食也進一步驗證了愛丁頓等人的結果，而後來哈勃望遠鏡拍攝的照片揭示了更為壯觀的由強大引力場產生的空間扭曲。在一些圖片中，大質量星系團周圍的星光被扭曲成細長的條紋。

此外，天文學家還發現星系的旋轉速度太快了，一定存在著某種看不見的暗物質提供了額外的引力把它們聚集在一起。科學家現在認為，宇宙中的暗物質數量必須是普通物質的五倍以上，才能解釋我們所看到的引力效應。令人沮喪的是，迄今為止，科學家還沒有成功地探測到暗物質粒子。

更令人矚目的是，2015年（也就是廣義相對論提出的100年後）科學家首次探測到引力波——這也是廣義相對論所預言的。當兩個特別巨大的物體相互碰撞時，就會產生這些漣漪。雖然愛因斯坦認為我們似乎很難探測到這些極其遙遠的事件在時空中產生的微小漣漪。

2016年，天文學家宣布他們探測到了兩個黑洞在13億年前相互合併所產生的引力波。從今年四月份開始，在激光干涉引力波天文台（LIGO）經歷了升級之後，正以前所未有的速度不斷地探測到雙黑洞、雙中子星、甚至可能是黑洞吞噬中子星時輻射出的引力波。這些引力波事件將帶來大量寶貴的數據，進一步揭開宇宙所隱藏的秘密。

最後，天文學家在上個月宣布他們拍攝到了時空的終極扭曲——黑洞。這張黑洞的照片是由事件視界望遠鏡拍攝的，它顯示了一個黑色的圓盤——黑洞的陰影——被一個橙色的光暈環繞。光暈是由繞著黑洞周圍旋轉的高能粒子產生的。

從1919年的日全食為廣義相對論提供了第一個觀測證據，到2019年事件視界望遠鏡拍散到第一張黑洞的照片，廣義相對論經受住了所有最嚴峻的考驗。這100年，可以說是引力的100年。

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