爱因斯坦预言的光线弯曲与观测

历史上，牛顿最先提出光线受引力的影响，它所行进的路径会产生偏折的可能性。在此之后，卡文迪许（Henry Cavendish，1731—1810）、米歇尔（John Michell，1724—1793）、拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749—1827）和索尔德纳（Johann Georg von Soldner，1776—1833）也都曾经做过光线路径偏折的具体计算。回到1911年，爱因斯坦在尚未建构出完整的广义相对论之前，就曾经基于等效原理和他早先的理论结果，预言光线在经过太阳时会受到它的引力作用影响而产生0.87秒角的偏折。⁽¹⁾

对于光线经过太阳会产生偏折的观测，在广义相对论诞生前就已经尝试进行。观测的对象是恒星所发出的光线，因为太阳光太强烈，所以可行的观测只能在日食发生时进行。

图1-2　弯曲时空与光线路径偏折

在1914年7月底，德国天文学家弗洛因德里希（Erwin Finlay-Freundlich，1885—1964）与两位同伴总共携带三组相机前去克里米亚（Crimea），为观测将发生在8月21日的日食做准备。很不幸地，德国在8月1日的正式宣战开启了第一次世界大战，俄国也出兵参与战争。因此，俄国政府拘留了弗洛因德里希，并没收他的设备，使得这次的观测计划被迫中止。爱因斯坦曾经抱怨：“决定我的科学奋斗中最重要的结果，将不会在我的有生之年看到。”事实上，当时另一组美国的观测队伍并没有受到战争发生的影响，可惜日食当天的天气并不好，是一个不适合拍摄的阴天，因此美国队伍的观测过程也不顺利。不久之后，弗洛因德里希就因战俘的交换而被释放。

这次观测的延迟对于爱因斯坦来说应该是一个幸运事件，因为直到1914年，他对光线路径偏折的计算并没有考虑到空间弯曲所造成的效应，预测值为0.87秒角，而这个预测值是不正确的。一年之后，爱因斯坦理解到空间弯曲的部分和时间弯曲的效应是一样大，他修正预测值增加到1.74秒角，是原始结果的两倍，而这才是正确的数值。如果在1914年8月弗洛因德里希成功地完成了对光线弯曲的测量，那么他的观测结果就会不符合爱因斯坦的预言，那么爱因斯坦将会发现自己处在一个相当尴尬的位置上。

支持广义相对论最关键的观测结果，是英国天文物理学家爱丁顿（Arthur Stanley Eddington，1882—1944）所领导的团队在1919年完成的。爱丁顿是广义相对论在英国首要的支持者，他曾用英语写了许多文章来介绍并推展广义相对论。和爱因斯坦一样，爱丁顿在当时是少数和平主义的热衷支持者。第一次世界大战期间，爱丁顿已是皇家天文学会（Royal Astronomical Society）的秘书，这段时期，英国实行了征兵政策，而爱丁顿宁可被判刑也不愿意入伍服役参与战争。经过了一番努力，他以日食观测在科学研究中的重要性为由，成功地说服仲裁庭给予他一年的兵役豁免权，让他可以领导1919年的日食观测团队。幸运的是，这场战争在爱丁顿豁免时效过期前的1918年底就结束了。(www.xing528.com)

在战争结束后的1919年，共有两个团队对当年5月29日发生的日食进行观测。格林尼治（Greenwich）天文台的克罗姆林（Andrew Crommelin，1865—1939）所带领的观测团队到巴西的索布拉尔（Sobral），而爱丁顿则领队到位于非洲几内亚海岸外的普林西比岛（island of Príncipe）。这次的观测进行得很顺利，而观测数据分析的结果符合了爱因斯坦广义相对论的预测。

观测的结果于1919年11月6日在英国皇家哲学学会（Royal Philosophical Society）和皇家天文学会的伦敦联合会议上向全世界公布，皇家天文学家戴森（Frank Watson Dyson，1868—1939）总结说：“经过仔细研究拍摄的底片，我正式宣布，结果证实了爱因斯坦的预言。一个非常明确的结果显示了光线的偏折，符合爱因斯坦引力理论的推论。”就在第一次世界大战结束一周年的前夕，德国科学家爱因斯坦延续了英国科学家牛顿的光环，而爱因斯坦也因此迅速地提升至世界名人的地位。

对于1919年观测的结果曾经有一些不同的意见，有人认为，爱丁顿团队拍摄的质量并不好，而且他似乎并不公正地忽略在巴西观测中比较接近牛顿理论的数据。这个质疑持续很久，直到1979年用更先进的技术和设备重新分析当年观测的数据，才再一次验证了爱丁顿的结论。

关于爱丁顿有一个有趣的故事。物理学家席尔伯斯坦（Ludwik Silberstein，1872—1948）自认为是相对论的专家，曾经向爱丁顿说他是全世界真正知道广义相对论的三个人之一。当时爱丁顿迟疑了一下，席尔伯斯坦坚持要爱丁顿不必不好意思承认，这时他回答说：“哦，不！我只是在想第三个人可能是谁！”