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星光實驗

愛因斯坦:「謝謝。我給大家帶來的這個實驗叫作星光實驗,有些魔術家可以把飛機瞬間挪動位置,而我,要把星星挪動位置,並且,這不是魔術,是真實的世界。

「首先我們找一個晴朗的夜晚,給某一塊星空拍張照片。我們會看到很多星星彼此靠得很近,我們可以把他們彼此之間的距離測量出來。我們都知道恆星之所以叫恆星,就是因為它在天上的位置相對於地球是不動的,也就是說每年地球運行到同一相對位置時,這幅星空的照片應該是完全一致的,星星之間的距離也應該是完全相同的。地球繞著太陽做著圓周運動,那麼每年地球都會有兩次機會和恆星的相對位置保持一致,也就是在圖5-10的位置A和位置B時。由於恆星離我們非常非常遙遠,所以在位置A和位置B拍出來的同一塊星空也是完全相同的,至少以人類目前的觀測精度,是無法發現差異的。

【圖5-10】每年地球在位置A和位置B時,其相對於恆星的位置是完全相同的

「但是,請大家注意,下面是我要說的重點:當地球在位置B時,與在A位置相比,有一個巨大的不同,那就是太陽擋在了中間。根據我的廣義相對論,太陽的引力是如此之大,以至於星光經過太陽時會發生彎曲,從而使我們在B位置觀察到的那些離太陽比較近的恆星的視位置發生可以觀測到的改變。那麼如何檢驗恆星的位置發生了改變呢?我們只要測量離太陽很近的恆星與其他離太陽很遠的恆星之間的距離即可。拿在位置B處和在位置A處的星空照片相比較,我們會發現,恆星之間的距離發生了變化,這就好像魔術師憑空把星星挪了個地方一樣,請看圖5-11。

【圖5-11】太陽的引力使得星光偏轉,恆星的視位置發生了位移

「我們可以發現,離太陽近的乙恆星的視位置會朝著遠離太陽的方向偏這麼一點點。這一點點是多少呢?根據我的計算,這一點點是1.7角秒。我知道你們心中的疑惑,當地球處在B位置的時候是根本無法看到恆星的,因為是白天,誰也無法在白天看到星星。可是,大家千萬別忘了,有一個特殊的時刻可以在白天看到星星,那就是當日全食發生的時刻。我希望天文學家們別閒著,再下次也就是1919年日全食來臨的時候,驗證我這個偉大的預言。謝謝主持人。」

主持人:「謝謝,那麼本期節目就到這裡。我們期待著那一天的到來。」

愛丁頓:「我都有點兒等不及了。」

(愛因斯坦在《相對論淺說》中的原文是這樣的:儘管光線穿過引力場時其曲率極其微小,但是當星光掠過太陽時,其曲率的估計值達到1.7角秒,這應該以下述的方式來證明:從地球上觀察,某些恆星與地球相隔並不遙遠,因此它們在日全食時能夠被加以觀測,當日全食時,這些恆星在天空中的視位置與非日全食時相比,應該偏離太陽。這一個極其重要的推斷,它的正確與否,希望天文學家能夠早日予以解決。)

愛因斯坦提出的這個星光實驗是具有非凡意義的。為什麼愛因斯坦自1905年發表狹義相對論直到1915年廣義相對論的發表,10年來,這些理論在科學界一直受不到廣泛的認同和重視呢?關鍵的原因就在於,之前提出的所有推論都無法用實驗來驗證。無論是時間膨脹也好還是空間收縮也罷,以當時的實驗精度來講,都是不可能測量出來的。但是這個星光實驗就不同了,這是當時的觀測精度能夠達到的,是一個可以真實去做的實驗,而愛因斯坦對這個實驗的預測,在那個時代絕對可以用「瘋狂」兩個字來形容,畢竟「時空彎曲」這四個字對於大多數常人來講,既無法想像也難以理解。現在,居然可以讓人們真實地看見時空彎曲所產生的效應,這實在是有一種夢幻般的感覺。

愛因斯坦的「皇榜」已發,且看哪位英雄來揭榜。

愛丁頓(Eddington,1882-1944),英國的大天文學家,只比愛因斯坦小三歲,愛因斯坦的第一個粉絲。他相信相對論,決定去完成愛因斯坦交給天文學家的這個使命,驗證星光實驗的預測到底準不準確。最近一次日全食將在1919年到來,當時,第一次世界大戰還沒有完全結束,世界各地都還有未盡的戰火,但是愛丁頓這些科學家們已經等不及了,毅然決定冒著一戰的炮火,奔赴日食發生地去進行觀測。特別有趣的是,英國和德國是一戰中的敵對國,愛丁頓是英國人,愛因斯坦可以被認為是德國人(他擁有德國國籍,出生並長期生活在德國),於是我們看到一個英國人為了證明德國人的理論,不惜風塵僕僕、遠征萬里,這為戰後兩國修好做出了巨大貢獻。為了使觀測的誤差降到最低,同時也為了取得更多的公信力,愛丁頓還以他的號召力邀請到了很多出名的天文學家,比如柯庭漢、克羅姆林、戴維森等。他們分成了兩個遠征觀測隊,一個隊遠赴巴西的索布拉爾,另一個隊由愛丁頓親自率領,遠赴西非的普林西比島。1919年5月29日,日全食如約而至,雖然當時天公不作美,兩支遠征隊都遇到了陰天,但是在最關鍵的時刻還是拍到了至少八顆恆星的照片。他們把照片帶回英國後,和半年前拍攝的照片仔細比較,經過長達五個月的數據分析,同時邀請了全世界的天文學家齊聚英國皇家研究所一起分析與計算,最後,他們宣佈,愛因斯坦的理論取得了完美的證實,觀測值與理論計算值吻合得非常好!「這是一次徹底而滿意的結果。」愛因斯坦自己說。

星光實驗的成功,讓愛因斯坦瞬間走紅全世界,一戰成名。全世界的記者蜂擁而至,鎂光燈亂閃,全球的各大報紙爭相報道。英國的《泰晤士報》刊出頭版大標題「科學革命——宇宙新理論——牛頓理論大崩潰」。最可愛的要屬美國人了,《紐約時報》不知道出於什麼原因,派出了一個專門採訪高爾夫球賽的記者去採訪愛因斯坦,結果這個「科盲」記者幾乎把所有的知識都搞錯了,並且錯得離譜,最後文章居然還發表了,據說這是美國人接受相對論比別的國家較晚的原因之一。