百年前日食驗證廣義相對論，改變了人類對宇宙的認知
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你可能不知道100年前的一場日全食改變了人類對宇宙的認知。1919年5月29日，英國天文學家亞瑟·愛丁頓和安德魯·克羅姆林決定利用日食驗證一項具有革命性的新引力理論——愛因斯坦的廣義相對論。雖然早在1915年愛因斯坦就提出了這一理論，但直到1919年的這場日食，廣義相對論才得到證實。
這場日全食改變了人類對宇宙的認知
1919年5月29日，英國科學家決定利用日食驗證一項具有革命性的新理論——愛因斯坦的廣義相對論。提出這一理論時，愛因斯坦還沒有很大名氣。曾獲得諾貝爾獎的物理學家J.J.湯普森將廣義相對論稱之為人類思想史上最偉大的成就之一。
1912年日食期間，由於天氣原因，一場旨在驗證廣義相對論的實驗最終以失敗告終。兩年後的驗證計劃又因為一戰的爆發被迫擱淺。1919年5月戰爭結束，天文學家再次躍躍欲試，驗證愛因斯坦的理論究竟是對是錯。
經過幾個月的準備，劍橋天文台主管亞瑟·愛丁頓在非洲西岸的普林西比島架設望遠鏡和成像設備。另一位天文學家、格林威治皇家天文台的安德魯·克羅姆林則在巴西索布拉爾準備好自己的裝備。他們試圖通過實驗驗證廣義相對論。當時，沒有人知道兩位天文學家的實驗能否取得成功。令人感到欣慰的是，幸運女神最終降臨在他們頭上。
關於時空和引力的新理論
兩百多年來，科學家對引力的認知一直遵循牛頓的理論，認為引力是物體之間的一種吸引力。1915年，愛因斯坦提出了新的解釋，認為引力並不是一種力，而是包括恆星和行星在內的大質量物體導致的空間扭曲。這種理論很難理解，但愛因斯坦和他的同僚們意識到如果這種理論是正確的，將產生一種簡單可測的影響，即引力會導致光線的軌跡發生微小變化。
我們通常認為光線沒有重量，但事實並沒有這麼簡單。光線是一種能量，愛因斯坦在1905年提出的著名方程式E=mc2指出能量能夠表現出與質量類似的行為。這種新認知再加上愛因斯坦預測的空間扭曲，意味著光線在引力的作用下會沿著一條曲線，而不是直線移動。
無論是保齡球、山脈還是地球，任何有質量的物體都能彎曲光線。天文學家知道光線的偏移與導致偏移的物體質量成比例。為了測量微小的光線偏移，他們需要藉助大質量物體，例如太陽級別的天體。想像一下，來自一顆遙遠恆星的光線掠過太陽，而後照射到地球。掠日過程中，光線因為太陽的引力發生扭曲，導致這顆恆星的視位小幅改變。
阿肯色大學天體物理學家和科學史學家丹尼爾·肯尼菲克表示：「愛因斯坦提出了具有深刻見解的理論，認為引力會影響光線。」這意味著一道光束會在引力的作用下發生微小偏移，我們能夠對這種偏移進行測量。不過，進行這種測量並非易事。絕大多數時間太陽都非常明亮，導致我們無法對太陽附近的恆星進行觀測。但在發生日食的短短几分鐘時間裡，月球會遮擋陽光，允許我們對背景恆星進行成像，而後確定它們的方位。
日全食是一種較為罕見的現象，平均每年發生一次，地球表面只有一個狹窄的區域可以觀賞到這種天文奇觀。根據愛因斯坦的理論，星光只會在引力影響下發生微小變化，相當於1英里（約合1.6公里）外看到的一枚鎳幣的直徑。當時的望遠鏡和照相技術幾乎無法感知到如此微小的變化。
這一次的日食驗證了愛因斯坦的廣義相對論
受到幸運女神的眷顧
在新作《疑影不再》（No Shadow of a Doubt）中，肯尼菲克講述了1919年驗證廣義相對論的實驗。他指出1919年的日食觀測很具有挑戰性。當時，科學家至少用了一年時間完成準備工作，沒有人知道戰爭還會持續多久。1918年11月，也就是日食發生前6個月，愛丁頓和克羅姆林一度處在放棄的邊緣。肯尼菲克說：「如果戰爭不能在一周後結束，他們可能不得不選擇放棄。」
令人感到欣慰的是，愛丁頓和克羅姆林受到幸運女神的眷顧。當時，索布拉爾的天空非常晴朗。普林西比島雖然一度被雲層覆蓋，但晴朗的天空持續了足夠長的時間，允許愛丁頓的團隊在日食結束前拍攝了一系列照片。
日食結束後，兩位天文學家回到英國，而後用了幾個月時間測算照相底片中出現的恆星的精確位置。最終，他們證實星光發生偏移，偏移量正是愛因斯坦理論中預測的量，進而證明了愛因斯坦的廣義相對論。在1919年11月6日於倫敦舉行的皇家天文學會-皇家學會聯合會議上，英國皇家天文學家弗蘭克·戴森公布了研究結果。他說：「毫無疑問，日食觀測結果證實了愛因斯坦的預測。」
愛因斯坦從此聲名鵲起
第二天《倫敦時報》報道了這一消息。幾天後，《紐約時報》又發表了相關報道。愛因斯坦從此聲名鵲起，成為全球矚目的名人。儘管廣義相對論是一項普通人抓破腦袋也很難理解的理論，但證實這一理論仍讓全球民眾歡呼雀躍。肯尼菲克表示：「這是一條非常引人注目的新聞。突然之間，牛頓的理論土崩瓦解，被愛因斯坦這個他們從未聽說過的傢伙提出的理論取代。廣義相對論雖然熠熠生輝，但非常複雜，能夠理解的人鳳毛麟角。對於普通民眾來說，這是一個非常富有戲劇性的理論。」
儘管廣義相對論異常複雜，但仍引起了公眾的廣泛興趣。加州理工學院物理學家肖恩·卡羅爾指出：「廣義相對論成為瘋狂的難以理解的新理論的『海報男孩』。這項理論對我們了解大自然的真相產生戲劇性影響。科學家觀測到相關結果並拍攝了照片，這極大地激發了公眾的興奮神經。」
多年來，歷史學家一直質疑1919年實驗結果的準確性。有人認為愛丁頓急於證明愛因斯坦的理論，在數據上做了手腳，甚至故意隱瞞了與廣義相對論不符的數據。肯尼菲克指出對1919年觀測數據的後續分析證實了最初的發現。愛因斯坦是對的，他的廣義相對論通過了這場偉大的考驗。在隨後的幾十年，廣義相對論又被數次證實，相關觀測數據的精確性遠遠超過1919年。廣義相對論孕育出一系列令人驚奇的發現，包括黑洞和引力波。
來源：漫步宇宙
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