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今天是2019年5月29日 这是馒头说第 365 篇文章 在人类科学史上 关于“日全食”的观测做过无数次 但可能没有一次 像今天讲的这次那么有名 【今日由头】 1919年5月29日 爱丁顿进行日全食观测 1 我们的故事，从1905年开始。 1905年，对于人类科学文明史而言，是一个永远值得铭记的年份。 在这一年，瑞士伯尔尼专利局有一个普通技术员，发表了关于“量子论”的论文，创造性地用“光量子假说”解决了“光电效应”问题；这年4月，他在苏黎世大学提交了自己的博士毕业论文《分子大小的新测定法》；一个月后，他又递交了另一篇论文《论动体的电动力学》，独立而完整地提出了一个世人闻所未闻的理论：“狭义相对性原理”——我们现在称之为“狭义相对论。” 没错，这个人，就是阿尔伯特·爱因斯坦。
在爱因斯坦创立“狭义相对论”之后的相当长一段时间里，他一直试图把之前人类物理世界最经典的一套理论纳入到自己的理论体系中来，那就是牛顿的“万有引力”体系。但是，经历了整整7年的尝试，爱因斯坦遭受了各种各样的失败，始终无法如愿。 到了1912年的时候，屡战屡败的爱因斯坦渐渐意识到了问题的根本性所在——他的“狭义相对论”根本容纳不了“万有引力”理论。 在这一年，爱因斯坦又发表了一篇论文，探讨如何将重力场用几何的语言来描述。其实在这个时候，爱因斯坦已经无限接近自己下一个划时代的研究成果——“广义相对论”。 关于“广义相对论”，有一句著名的形容： “理论家的天堂，实验家的地狱。” 这句话的意思是指，“广义相对论”从理论上看惊为天人，完美无缺，但是要从实验上证明，却非常困难，因为这个理论以宇宙作为背景，实在太宏大了，在当时的时代环境下，只有在有限且非常极端的实验条件下，才有可能做出一些证明。 所以，当爱因斯坦当时提出这些理论的时候，外界普遍保持沉默，其实更多的是怀疑——无法用实验证明的理论，你凭什么说它是正确的？ 爱因斯坦经过反复思考和计算，提供了几个可以供天文实验室验证的推论，比如水星轨道近日点的进动问题，光谱线在强引力场中的红移等等。 第一个实验，爱因斯坦其实是成功证明了，第二个实验，在当时的条件下无法证明，所以关键就要看第三个实验，也是爱因斯坦理论的一个重要论述——光线在强引力场中会发生偏转。
以地球为环境，爱因斯坦所能想到的物体都太小了，根本没有质量足够大的物体能够证明他“光线偏转”的理论，怎么办？ 爱因斯坦想到了一个合适的实验对象：太阳。 太阳的体量足够巨大，如果能证明贴近太阳的光线会发生偏转，那就证明了爱因斯坦理论的正确性。 那么，在20世纪初的时候，有没有科学实验手段能验证这一点？ 有的。那就是“日全食”。 2 虽然想出了验证办法，但爱因斯坦很快陷入了焦虑。 要从观测“日全食”中得到实验数据，就必须得到天文台和天文学家的帮助。爱因斯坦推算出下一次日全食发生的日期，是1914年的8月21日。他随即给全世界各地的天文台发去了信函，征询他们是否有兴趣通过届时的日全食观测，帮助验证关于他“光线在通过近日引力点会发生偏转”的理论。 信都发出去了，却如同石沉大海，都没有回音。 最终，已经从瑞士苏黎世移居到德国柏林并担任威廉皇帝物理研究所所长的爱因斯坦，决定派出自己最得力的年轻助手，同样也是科学家的埃尔文·弗洛因德里希（Erwin Freundlich），组织一支德国观测队前去观测，而当时最佳的观测地点是俄国的克里米亚半岛。 之后，美国的天文学家威廉·坎贝尔（William Campbell）也自告奋勇地表示参加。一行人整理好行囊，就前往了俄国。 但是，意外发生了。 1914年6月28日，奥匈帝国皇储斐迪南大公在萨拉热窝遇刺，一个月后，奥匈帝国向塞尔维亚宣战，德国、意大利、英国、法国、俄国相继代表各自阵营参加了战争—— 卷入6500万人口的第一次世界大战，全面爆发。
战争一爆发，爱因斯坦就知道事情不妙，因为德国和俄国相互宣战，成了交战国。他在给友人的一封信中写道： “我亲爱的天文学家弗罗因德利希会在俄国成为战俘，而不是去那里观测日食。我为他担忧。” 爱因斯坦一语成谶。 带着各种探测仪器的弗洛因德里希一行，在克里米亚半岛被俄国军队当作敌方间谍抓了起来。美国天文学家坎贝尔来自中立国，所以被放了出来，而自弗洛因德里希以下，所有的德国人直到第一次世界大战结束，才作为战俘被交还德国。 侥幸被放出来的坎贝尔没有放弃，在8月21日试图继续进行日全食的观测，但那一天克里米亚半岛和欧洲大陆上空的大战气氛一样阴云密布，太阳始终没有出现。 尽管爱因斯坦也陷入了失去同事的悲伤中，但他有了一个意外的发现： 自己的计算出现了问题——他原来计算光线在太阳附近发生偏折的弯曲值是0.87弧秒，但这是错误的，修正后的数值应该是1.75弧秒，差了一倍。
如果弗洛因德里希的那次日全食观测成功，反而会是一次证明爱因斯坦错误的实验。 1915年，爱因斯坦在原有的基础上，完整提出了“广义相对论”。 世界为之震惊，但同时又为之怀疑，还是那个老问题——怎么证明？ 爱因斯坦提出，通过日全食观测还是最好的一个检测方法。 根据推测，下一次最佳日全食的观测时间是1919年的5月29日。 但爱因斯坦提出想法的时候，欧洲已经陷入了一片战火之中，各国之间完全杀红了眼，所有的一切都已经为战争让道。 谁会为他去观测日全食？ 3 这时候，一位叫爱丁顿的英国人站了出来：我去！ 亚瑟·斯坦利·爱丁顿，他并不是一个普通人。 爱丁顿1882年出生于英国，幼年丧父，跟随母亲学习，之后展现出了惊人的数学天赋。1905年，也就是爱因斯坦提出“狭义相对论”的那一年，爱丁顿获得了剑桥大学三一学院的硕士学位，1913年获得剑桥大学天文学和实验物理学的终身教授（他的这一职位前任是达尔文的儿子），1914年成为了剑桥大学天文台台长。 1915年，爱丁顿了解到了爱因斯坦的“广义相对论”，瞬间就被这套理论所折服，并深深痴迷。事实上，爱丁顿成为了当时世界上极为少数能看懂爱因斯坦“相对论”的科学家。 据说曾经有人问爱丁顿一个问题： “您觉得这个世界上懂相对论的人会超过三个人吗？” 爱丁顿想了一下回答： “事实上，我正在想第三个人究竟是谁。”
在了解到观测日全食能够验证爱因斯坦的相对论之后，爱丁顿毫不犹豫地站出来，表示自己愿意带领一支队伍去进行日全食的观测。 但是，其实爱丁顿那时候自身难保。 1917年，经历了炼狱一般的索姆河战役之后，伤亡近60万人的英国急需青壮年入伍补充兵源缺口，而当时的爱丁顿才34岁，完全符合入伍条件。但爱丁顿因为宗教信仰，是一个和平主义者，他不仅拒绝入伍，还提出要组织一支考察队去进行日全食的观测。 在当时的战争环境下，拒绝为国家入伍上战场，会遭遇各方面的歧视乃至羞辱。但爱丁顿坚持要继续从事科学研究。他的一些科学家好朋友开始出动为他游说，结果皇家天文学家戴森不仅凭借自己和英国海军部的关系帮他做了调停，并且还给出了一个说服英国政府支持他朋友爱丁顿去观测日全食的理由： 通过这场日全食观测，可以证明爱因斯坦的理论到底是否正确，是否会挑战本国伟大科学家牛顿的“万有引力”理论。
结果，政府和爱丁顿达成了一个约定：如果这场战争能在1919年5月之前结束，那么就允许他带着队伍去进行观测。 1918年11月11日，精疲力尽的欧洲各国宣布停战，第一次世界大战结束了。 在短短的半年时间里，英国皇家天文学会为爱丁顿做好了各项准备。 1919年5月29日的这场日全食将出现在南半球中纬度地区，在这一天，太阳将正好处在易于观测的壁宿星团——爱丁顿甚至认为，如果错过这次绝佳机会，可能要再等上千年。 为了取得最佳观测效果并保证万无一失，英国皇家天文学会等考察队兵分两路：一支队伍由戴森带领，去巴西的索布拉尔（Sobral)，一支队伍由爱丁顿亲自带队，去西非的普林西比岛（Principe）。
队伍观测目的很明确： 如果届时测出的偏转值是1.75弧秒，那么爱因斯坦的“相对论”将被正式承认。 如果届时测出的偏转值是0.87弧秒，那么牛顿的“万有引力”理论依旧正确。 在出发前，有一名考察队员问戴森： “如果届时测出的偏转值，是爱因斯坦计算结果的两倍怎么办？” 戴森回答： “那爱丁顿肯定会发疯的。” 4 爱丁顿的那支队伍，在1919年4月终于赶到了普林西比岛。 到了岛上之后，爱丁顿发现自己低估了这次考察的困难程度： 岛上天气闷热，蚊虫肆虐，环境非常艰苦。而最要命的是，整个五月雨水不断，乌云密布。就在5月29日当天，还下了一场大暴雨，沮丧的爱丁顿几乎要选择放弃。他在1920年出版的《空间、时间和引力》一书中用诗句的方式记录了当时的紧张心情： “里里外外，上下四周， 除了魔影，别无所有。 戏在暗盒中演，太阳权为烛火; 我们围绕着它，幻影似地奔走。” 但就在日全食开始前的几小时，天空却开始晴朗起来。爱丁顿的队伍赶紧忙碌起来，开始记录日全食。 在日全食的整个过程中，爱丁顿非常紧张，几乎没有抬头去望一眼天空，而是不断地在换底片。他们一共拍下了16张照片，但其中只有一张成像非常清晰。
经过紧张的计算，他们根据这张照片得出的光线偏转值，是1.61弧秒。 抛去误差，这个数值明显接近爱因斯坦预测的1.75弧秒。 但还不能就此下结论。 那支远征巴西的戴森队伍怎么样了呢？ 他们倒是碰到了非常晴朗的天气，随后也得到了观测的数值，但是有两个：0.89弧秒和1.98弧秒。 0.89弧秒是戴森团队用原来准备的天文望远镜拍摄的，但由于当地的高温超出了他们的想象，所以器材有些晒得变形了。 1.98弧秒是他们用备用的一架较小的望远镜测得的。 三组数据中，爱丁顿舍弃了戴森他们用变形器材得到的那组0.89弧秒的数据。 这也就证明，“相对论”是正确的。 在那一刻，爱丁顿激动异常： “爱因斯坦的理论经受住了考验！”
5 1919年11月16日下午，英国皇家学会和皇家天文学会在伦敦举行了联席会议。 在这场会议上，所有的权威听取了爱丁顿关于日全食观测和计算的报告。 在听取报告之后，英国皇家学会主席汤普森（电子的发现者）正式宣布： “广义相对论”得到了实验的验证，是正确的。 同时，汤普森表示： “爱因斯坦的科学思想是这个时代的最高成就。” 爱因斯坦一战封神。 据说，得到消息的爱因斯坦其实并没有太激动。他的学生罗森塔尔问他： “如果你的理论被证明是不对的，你会怎样？” 爱因斯坦笑了笑： “那我只能为上帝感到遗憾了，因为我的理论肯定是对的。” 但另一个流传的版本是，其实爱因斯坦对实验结果很紧张，一直在打探消息。 真正镇定的倒是爱丁顿。他在听说爱因斯坦焦急等待结果时说： “看来爱因斯坦还是不太懂他自己的相对论啊！”
【馒头说】 这个故事最吸引我的，其实不是整个日全食观测的过程，而是另一些东西。 席卷全欧洲的第一次世界大战，尽管爆发得有些莫名其妙，但列强之间当时确实是杀红了眼的。尤其是经过凡尔登和索姆河两大著名的“绞肉机”战役，英法和德国已经到了势不两立的地步。 所以对英国而言，出生在德国的爱因斯坦，就是一个敌国的科学家。 更让人有些不可思议的是，英国的科学家不仅仅是要帮助德国的科学家，而且是要推翻本国一直引以为荣的科学泰斗的理论。 牛顿作为原英国皇家学会的会长，长期以来是世界顶级的物理学家，也是被英国人视为“国宝”的科学家。而现在，一群英国的科学家，克服种种阻力甚至突破战争的障碍，要帮助一个敌对国家的科学家证明他的理论，以验证本国科学家的理论是错误的。 站在这个角度看，这次日全食观测堪称伟大。 当爱丁顿为爱因斯坦理论与人争辩的时候，当戴森为考察队能够成行想尽办法的时候，当汤普森当众宣布爱因斯坦是正确的时候，那一个个瞬间，确实让人动容。 根据当时在场人的记录，那场宣布爱因斯坦理论被证明的会议，会议室的背景墙上，挂着一副巨大的牛顿肖像。 我们都知道一句话： “科学没有国界，但科学家有自己的祖国。” 没错，但倒过来一样也是一句伟大的话： “科学家有自己的祖国，但科学没有国界。” 本文主要参考来源： 1、《爱丁顿与广义相对论的验证》（侯新杰，陈晓莉，《大学物理》，2006年7月30日） 2、《日食观测与广义相对论的验证》（李良，《现代物理知识》，2018年10月18日） 3、《1919年5月29日:爱丁顿观察日食以检验广义相对论》（萧如珀， 杨信男，《现代物理知识》（2018年6月25日） 4、《爱丁顿不会发疯的》（卞毓麟，《科普时报》，2019年4月12日） 5、《改变历史的日全食》（微信公号：“严锋老师”，2017年3月18日） 6、《爱丁顿与广义相对论》（郭建福，《物理教师》，2016年第37卷第8期） 7、《用实验证明广义相对论的人——爱丁顿》（52数学网，2019年4月29日） 8、《太阳的故事》（卢昌海，清华大学出版社，2011年） 9、《电影中的科学家之：〈爱因斯坦与爱丁顿〉与冲突的呈现》（张九庆，《科学》，2018年05期） |
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