來源：公眾號“科研圈”
1919 年 5 月 29 日，在非洲西海岸的普林西比島（Principe），英國天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington，1882-1944）對一場為時五分鐘的日食進行了觀測，拍下了人類歷史上最重要的一張日食照片。半年的數(shù)據(jù)分析之后，他們在倫敦召開了新聞發(fā)布會，馬上成了全世界的頭條：愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）的相對論取得勝利。
相對論是人類歷史上最成功的引力理論，誕生一百多年來，它作出的預(yù)測從未失敗。更重要的是，它顛覆了人們長期以來的信念，即空間與時間的客觀存在，進而對哲學(xué)乃至大眾文化產(chǎn)生了影響。
愛丁頓拍攝的日食照片之一，后來出現(xiàn)在 1920 年發(fā)表的論文中。圖片來源：Wikipedia
撰文 戚譯引
相對論的故事得從光速說起，在它誕生之前，物理學(xué)界關(guān)于光的討論已經(jīng)持續(xù)了三百年。
在愛因斯坦的理論中，真空中的光速是宇宙中最快的速度，如今我們知道這個速度大約是每秒 30 萬公里。不過，或許是因為日常生活中很難感覺到光速的存在，在過去，人們通常假設(shè)光速是無限的。
在 17 世紀(jì)，伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）最先嘗試測量光速。他讓兩個觀察者各持一盞燈，A 先把燈點亮，B 看到后也點亮自己的燈，然后計算 A 從點燈到看到 B 的燈光的時間差。受限于當(dāng)時的實驗條件，他沒有成功——哪怕讓兩人相距一英里（約 1.6 千米），測量結(jié)果也和他們靠在一起的時候差不多。
17 世紀(jì)末，科學(xué)家們再次嘗試測量光速，這一次靠的是木衛(wèi)食，即在地球上觀測時，木星將它的衛(wèi)星遮住的現(xiàn)象。丹麥天文學(xué)家奧勒·羅默（Ole Romer，1644-1710）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)厍螂x木星距離不同的時候，木衛(wèi)食出現(xiàn)的周期不一樣，距離較遠(yuǎn)的時候木衛(wèi)食出現(xiàn)得更晚一點，大約相差 10 分鐘，這說明此時木衛(wèi)反射的光要花更長的時間才能到達(dá)地球。羅默認(rèn)為這個現(xiàn)象證明光速是有限的。
測量光速示意圖。當(dāng)?shù)厍驈?L 點轉(zhuǎn)到 K 點的時候，第一個木衛(wèi)食出現(xiàn)的時間比根據(jù)運算周期計算得到的時間要晚幾分鐘，羅默認(rèn)為這就是光在經(jīng)過 LK 的時候多花的時間。反之，當(dāng)?shù)厍驈?F 點轉(zhuǎn)到 G 點的時候，木衛(wèi)食出現(xiàn)的時間就比計算結(jié)果要早。圖片來源：羅默于 1676 年發(fā)表的論文，Wikipedia
正如一切新理論一樣，這個結(jié)論并沒有被立刻接受。到 1728 年，哥本哈根發(fā)生了當(dāng)?shù)貧v史上最大的火災(zāi)，羅默的許多觀測資料毀于一旦。
而大火發(fā)生前一個月，在北海的彼岸，英國天文學(xué)家詹姆斯·布拉德雷（James Bradley，1693-1762）對光速進行了更加精確的測算。布拉德雷進而估計太陽光到達(dá)地球的時間為 8 分 13 秒，與現(xiàn)代的觀測結(jié)果只有幾秒鐘的差異。
光速的測定回答了一個問題，卻引出了更多的問題：光是如何傳播的？在不同的介質(zhì)里，光速會發(fā)生怎樣的變化？
同樣在 17 世紀(jì)，物理學(xué)家們對光的本質(zhì)展開了研究。荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695）認(rèn)為光是一種波，在“以太”中像水波一樣傳播。像同時代的科學(xué)家一樣，他認(rèn)為以太是一種充斥所有空間的流體，地球能夠圍繞太陽轉(zhuǎn)動正是因為太陽帶動了以太的漩渦。
波動說能夠解釋光的反射和折射，卻無法很好地解釋為什么光沿直線傳播。這時候，艾薩克·牛頓（Issac Newton，1623-1727）提出了一種截然不同的理論。為了解釋棱鏡實驗的結(jié)果，牛頓指出，光應(yīng)當(dāng)是一種微粒，光通過棱鏡的時候就像網(wǎng)球被斜拍打出去的時候一樣，劃出一道曲線。（今天我們更熟悉的現(xiàn)象是足球賽里的“香蕉球”。）
這兩種學(xué)說在解釋光速變化的時候發(fā)生了分歧：波動說認(rèn)為光在折射率更大的介質(zhì)中速度較小，而微粒說的推論結(jié)果恰好相反。到 19 世紀(jì)中葉，科學(xué)家才通過實驗測定了不同介質(zhì)中的光速，最終推翻了微粒說。
但是波動說還沒有完全取得勝利。在那個年代，波動說的解釋依賴以太的存在，可是以太又是什么樣子？
19 世紀(jì)的物理學(xué)家并不懷疑以太的存在，只是在解釋它的性質(zhì)方面遇到了重重困難。比如，偏振現(xiàn)象表明光存在相對于傳播方向的橫向振動，這說明以太是一種彈性固體，因為在空氣這樣的彈性流體中不會發(fā)生這樣的現(xiàn)象。但是，如果以太是一種固體，那么行星又怎么能穿過它呢？
為了檢驗以太的性質(zhì)，1887 年，在美國的克利夫蘭進行了著名的邁克爾遜-莫雷實驗，由阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson，1852-1931）和愛德華·莫雷（Edward Morley，1838-1923）設(shè)計。實驗的原理很簡單：如果地球在以太中運動，那么當(dāng)光線順著以太運動時，它的速度應(yīng)當(dāng)比逆行的時候要快，就像順著水流游泳要更輕松一樣。
為了保證實驗裝置處在水平、穩(wěn)定的位置，邁克爾遜和莫雷將它安放在一塊漂浮在水銀中的大理石板上。他們讓一束光從光源（a）出發(fā)，經(jīng)過一面與光傳播方向成 45 度角的半透明分光鏡（b），鏡片讓一部分光直接通過，另一部分光被反射，分別到達(dá)兩面鏡子（c、d）。如果光束到達(dá)兩面鏡子并返回的時間不同，就會出現(xiàn)相位差，最終在中間形成干涉條紋。并且隨著儀器轉(zhuǎn)動，光的路徑與以太流動方向的相對位置發(fā)生變化，那么干涉條紋應(yīng)當(dāng)會發(fā)生移動。
邁克爾遜-莫雷實驗原理圖。圖片來源：Wikipedia
但是，盡管多次重復(fù)實驗，邁克爾遜和莫雷并沒有發(fā)現(xiàn)干涉條紋的明顯移動。在當(dāng)時的實驗物理學(xué)家們看來，實驗結(jié)果證明了以太與地球相對靜止，這令他們感到十分困惑。
到邁入 20 世紀(jì)之時，絕對溫標(biāo)的發(fā)明者開爾文說：“兩朵烏云……遮蔽了把光和熱斷定為運動形式的動力學(xué)理論的美麗和明晰?！逼渲幸欢錇踉浦负隗w輻射，另一朵就是還未找到理想解釋的邁克爾遜-莫雷干涉實驗。
1895 年，荷蘭物理學(xué)家亨德里克·洛倫茲（Hendrik Lorentz，1853-1928）結(jié)合當(dāng)時的電磁學(xué)研究成果，作出了大膽的假設(shè)：如果物體本質(zhì)上是靠電磁力結(jié)合在一起的，那么當(dāng)物體在有電磁性的以太當(dāng)中運動時，就可能沿著它運動方向縮短。經(jīng)過復(fù)雜的計算，洛倫茲提出了洛倫茲變換，用于解釋不同參考系中運動的換算關(guān)系。
1921 年，愛因斯坦與洛倫茲。圖片來源：Wikipedia
洛倫茲已經(jīng)很接近狹義相對論，只是他還沒有放棄以太。其他實驗物理學(xué)家也沒有放棄，他們試圖用更靈敏的儀器重復(fù)實驗，或者到海拔更高的地方重復(fù)實驗。
為什么那個年代的物理學(xué)家們會固執(zhí)地相信這樣一種不可捉摸的物質(zhì)的存在？今天的我們或許對此感到難以理解，但是在 20 世紀(jì)，否認(rèn)以太可以說意味著否認(rèn)物質(zhì)與時間的永恒。以太的存在隱含了一個假設(shè)，那就是存在絕對客觀、亙古不變的空間參考系。從哲學(xué)的角度上看，物質(zhì)占據(jù)固定的空間，時間以固定的步調(diào)流逝，這是人類心目中對世界的固有認(rèn)識。
而愛因斯坦首先意識到，絕對空間與絕對時間的概念是想象中的虛構(gòu)，它受限于人類的經(jīng)驗。實際上，對統(tǒng)一系統(tǒng)的觀測結(jié)果取決于觀察者的位置，處在同一系統(tǒng)中的觀察者和處在另一個系統(tǒng)中的觀察者看到的是不一樣的。也就是說，時間和空間不是絕對的，而是與觀察者相對的。
至于那個看不見、摸不著的以太，只需要承認(rèn)空間具有傳播電磁波的能力，就可以拋棄對以太的依賴。愛因斯坦及合作者后來在書中寫道：
“我們想使以太成為實在的東西的一切努力都失敗了。它既不顯示它的力學(xué)結(jié)構(gòu)，又不顯示絕對運動。除了發(fā)明以太時所賦予它的一種性質(zhì)，即傳播電磁波的能力以外，其他任何性質(zhì)都沒有了。我們力圖發(fā)現(xiàn)以太的性質(zhì)，但一切努力都引起了困難和矛盾。經(jīng)過這么多的失敗之后，現(xiàn)在應(yīng)該是完全丟開以太的時候，以后再也不要提起它的名字了。” ——《物理學(xué)的進化》
在洛倫茲變換的基礎(chǔ)上，愛因斯坦于 1905 年提出了狹義相對論，進而在 1915 年提出了廣義相對論。
如何驗證相對論是否正確？在許多方面，相對論的推論與牛頓力學(xué)大致相同，只有在宇宙的尺度，兩者才會產(chǎn)生分歧。有幾個關(guān)鍵的現(xiàn)象可以成為檢驗這一新理論的試金石，其中之一就是日食。
按照愛因斯坦的理論，當(dāng)光線通過引力場的時候，路線會發(fā)生彎折。當(dāng)發(fā)生日食的時候，太陽附近的恒星將不再被太陽的光芒掩蓋，并且由于太陽引力的作用，恒星發(fā)出的光線在到達(dá)地球之前發(fā)生了彎折，因此我們看到的恒星的位置將偏離它們的實際位置，具體而言，位移值是 1.74 角秒。
早在相對論全部完善之前幾年，愛因斯坦就提出了這樣的預(yù)言，但是在戰(zhàn)爭年代組織一場日食觀測何其困難。德國和美國的天文學(xué)家至少三次嘗試進行觀測，但總是因為天氣原因而無法拍攝。最倒霉的是 1914 年 8 月那一次，埃爾溫·芬萊-弗羅因德里希（Erwin Finlay-Freundlich，1885-1964）和威廉·華萊士·坎貝爾（William Wallace Campbell，1862-1938）去往俄國準(zhǔn)備拍攝，這時候德國對俄國宣戰(zhàn)了。于是日食還沒開始，俄國就逮捕了來自德國的弗羅因德里希，要求交換被俘虜?shù)氖勘?/p>
坎貝爾是美國人，得以留下拍攝，卻碰上了陰天。日食結(jié)束后，他迅速撤離了俄國，連帶來的珍貴儀器都沒有運走。
坎貝爾當(dāng)時擔(dān)任里克天文臺臺長，他差一點就能證實相對論。圖片來源：Wikipedia
在英國，愛因斯坦的論文經(jīng)荷蘭偷運過來，到達(dá)當(dāng)時的英國皇家天文學(xué)會秘書長愛丁頓的手上。愛丁頓對此很感興趣，他設(shè)法克服當(dāng)時國內(nèi)激烈的反德情緒，將愛因斯坦的工作介紹給同行，并著手準(zhǔn)備這次日食觀測。
此時一戰(zhàn)已經(jīng)接近尾聲，局勢十分緊張。愛丁頓信奉貴格教，反對戰(zhàn)爭，一再申請免服兵役，差點因此被送進監(jiān)獄。他的同事兼好友弗蘭克·戴森（Frank Dyson，1868-1939）也出面為他求情，試圖用國家榮譽說服軍方。
愛丁頓可以說相當(dāng)走運，他在最后關(guān)頭被免除兵役。接下來，在 1918 年 11 月 11 日，一戰(zhàn)結(jié)束了。愛丁頓與同事們立即準(zhǔn)備前往普林西比島，等待那次持續(xù) 5 分鐘的的日食觀測。為了確保萬無一失，他還將另一隊人馬派往巴西的索布拉爾（Sboral），拍攝備用照片。
這次拍攝很順利。到 1919 年 11 月，愛丁頓團隊在倫敦召開新聞發(fā)布會。遠(yuǎn)在德國的愛因斯坦躺在病床上，通過荷蘭的轉(zhuǎn)播得知了這一消息。
這次日食觀測兩年后，愛因斯坦被授予諾貝爾物理學(xué)獎，卻不是因為相對論，而是表彰他“對理論物理的貢獻(xiàn)，尤其是對光電效應(yīng)的理論解釋”。這個獎發(fā)得有些尷尬：此時愛因斯坦早已聲名鵲起，提名的呼聲很高；但廣義相對論仍然沒有完全被證實，只好另外找個由頭給他頒獎。
除了日食之外，廣義相對論還預(yù)言了引力紅移和引力波的性質(zhì)。引力紅移指光的波長隨引力場增強而增加，向紅端移動的現(xiàn)象，因此同一種元素在恒星上產(chǎn)生的光譜線要比在地球上產(chǎn)生的光譜線更“紅”，這一現(xiàn)象直到 1925 年才被觀測證實。
至于引力波，愛因斯坦一度懷疑它是否存在。在他去世六十年之后，引力波才被人類首次捕獲，觀測結(jié)果于 2016 年得到證實。如今，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）和意大利的 Virgo 天文臺仍然在仰望著夜空。它們已經(jīng)捕捉到雙黑洞并合或雙中子星并合產(chǎn)生的引力波，最新的一些觀測數(shù)據(jù)還沒有完成分析，天文學(xué)家認(rèn)為那可能是黑洞吞噬中子星產(chǎn)生的信號。如果這個猜想最終被證實，那么它將成為相對論帶給我們的又一個驚喜。
在大眾文化中，愛因斯坦的形象已經(jīng)成為科學(xué)的象征。圖片來源：Wikipedia
