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100年前，他火爆全球
原理
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以下文章来源于新原理研究所 ，作者大大
1919年伊始，在物理学世界之外，几乎没有什么人知道阿尔伯特·爱因斯坦这个名字。但在1919年11月6日之后，爱因斯坦因广义相对论而声名鹊起，这位前专利局的普通职员一下子成为了国际性名人。虽然当时并没有几个人能够完全理解爱因斯坦的新理论，但它仍然抓住了所有人的想象力。
“科学革命：牛顿的思想被推翻了！”
“宇宙的新理论！”“天空中所有的光线都偏斜了”“爱因斯坦的伟大胜利！”......
1919年11月，这些标题出现在了全世界媒体的头版头条。一瞬间，阿尔伯特·爱因斯坦成为了家喻户晓的名字。
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[size=14.6667px]1.
回到100年前的5月，英国天文学家阿瑟·爱丁顿带领了一组科学考察队抵达了西非的普林西比岛。5月29日，他在那里目睹并记录了在天空中发生的一次壮观的事件：日全食。
日全食是一种绝妙的神奇体验。当它发生时，空气逐渐变冷，光线慢慢变暗，可能鸟儿也突然安静了下来……接着，太阳会短暂地消失在我们的视野之中。
如今，观测日全食是非常直截了当的一件事，但一个世纪以前，情况却远非如此。当时，世界刚刚从第一次世界大战中复苏，科学资源相当贫乏，摄影技术也相对原始，炎热潮湿的天气使仪器难以对焦，而且还有一个难以摆脱的障碍——云。
爱丁顿无疑会为这些风险担忧，但这并不会阻挠他的行动，因为这次观测能够证明或反驳现代科学中最具革命性的科学理论：广义相对论。
2.
1915年11月，爱因斯坦向普鲁士科学院递交了全新的引力理论——广义相对论。在爱因斯坦的理论中，引力并非像艾萨克·牛顿所认为的那样是一种作用于物体之间的力，而是一个物体的质量导致空间弯曲的结果。爱因斯坦写下的方程解释了物质如何弯曲时空，以及弯曲的时空告诉物质该如何运动。
广义相对论完美地解释了牛顿理论无法解释的水星近日点进动问题，但这还不够！要让所有人都接受新理论，那么就需要能够检验新理论所做出的种种预测。
根据广义相对论，爱因斯坦预测在日全食期间，恒星的位置看起来会发生变化，这是因为当遥远星光经过太阳附近时，太阳的质量会扭曲周围的时空，所以星光会发生偏折。
当时，第一次世界大战正如火如荼的进行着。第二年，尽管通讯渠道因战争而被中断，爱丁顿和天文学家弗兰克·沃生·戴森还是设法获得了爱因斯坦发表的论文。戴森立刻意识到，1919年5月的日全食将是验证爱因斯坦预测的绝佳机会。
○图片来源：新原理研究所
3.
在日全食期间，月亮的圆盘会经过太阳的前面，遮住它耀眼的光芒，让天文学家能够研究背景恒星相对较暗的光线。通过比较某一特定星团在平时的照片和它们在日全食期间的拍摄照片，应该能够看出恒星的位置是否如预测般发生变化。
由于意识到拍摄日全食将会有多么的困难，所以除了爱丁顿率领的团队，还有另一只科考队前往了巴西北部的索布拉尔。两支考察队都是由戴森组织的，他们要研究的都是金牛座毕星团中的恒星，因为日全食会经过这一星团。如果这些恒星的位置确实发生了位移，就说明太阳的质量导致了空间的弯曲。
实际上，牛顿的理论也预测了日全食期间恒星的位置会发生变化，但偏差会比爱因斯坦的理论预测的要小。
因此，爱丁顿面临的是一个令人畏惧的双重问题：他能够探测到恒星位置上的任何变化吗？他能足够精确地计算出位置的变化是支持牛顿的理论还是爱因斯坦的理论吗？根据牛顿理论，恒星的位置会偏折0.87弧秒，而爱因斯坦则计算出会偏折1.74弧秒。鉴于1弧秒是1度的1/3600分之一，因此要区分如此微小的差异将是一件非常艰难的任务。
而且出乎意外的是，普林西比岛的情况比爱丁顿预想的还要糟糕得多。他们不仅需要在蚊帐内工作，还要驱赶不断试图偷取装备的猴子。在29日的清晨，爱丁顿和他的助手是在暴风雨中醒来。
当日全食发生时，云层慢慢地散去，天空中仍有断断续续的薄雾。爱丁顿拼命地工作，只成功获取了16张底片。后来，他发现其中只有两张含有足够的恒星来判断它们的光是否被弯曲了。
而在索布拉尔，由皇家格林威治天文台的天文学家安德鲁·克罗姆林领导的小组经历了更好的观测条件。然而，令他们惊恐的是，他们随后发现用主望远镜拍摄的所有19张照片都没有对焦，太阳的热量导致镜片不均匀地膨胀，产生了模糊的图像。但幸运的是，使用较小的备用望远镜的其他8张底片获得了完美的结果。
考察队的科学家在8月的时候聚在一起，开始测量底片上恒星的位置。他们得到了两组结果。从索布拉尔图片中，他们发现星光偏折了1.98 ± 0.16弧秒，而普林西比岛给出的结果是1.61 ± 0.40弧秒。
这些发现虽然是基于有限的数据，但却与爱因斯坦的预测一致。这是一个轰动性的结果，它使这次日全食可能成为历史上最重要的日全食。
11月6日晚，包括戴森、爱丁顿和克罗姆林的研究小组带着数据和分析，站在伦敦皇家学会拥挤的会议前，宣布了他们的发现。是的，牛顿的理论被推翻了！英国皇家学会主席、诺贝尔奖得主汤姆孙宣布：“这是自牛顿时代以来，在引力理论方面取得的最重要的成果。”
可想而知，在接下来的几天内，全世界的媒体都疯狂地在报道这一观测结果。爱因斯坦也因此成为了可以与牛顿比肩的物理学家。
4.
这一结果打开了全新的时代。随后的日全食也进一步验证了爱丁顿等人的结果，而后来哈勃望远镜拍摄的照片揭示了更为壮观的由强大引力场产生的空间扭曲。在一些图片中，大质量星系团周围的星光被扭曲成细长的条纹。
此外，天文学家还发现星系的旋转速度太快了，一定存在着某种看不见的暗物质提供了额外的引力把它们聚集在一起。科学家现在认为，宇宙中的暗物质数量必须是普通物质的五倍以上，才能解释我们所看到的引力效应。令人沮丧的是，迄今为止，科学家还未发现暗物质粒子的踪迹。
更令人瞩目的是，2015年（也就是广义相对论提出的100年后）科学家首次探测到引力波——这也是广义相对论所预言的。当两个特别巨大的物体相互碰撞时，就会产生这些涟漪。虽然爱因斯坦认为我们似乎很难探测到这些极其遥远的事件在时空中产生的微小涟漪。
2016年，天文学家宣布他们探测到了两个黑洞在13亿年前相互合并所产生的引力波。从今年四月份开始，在激光干涉引力波天文台（LIGO）经历了升级之后，正以前所未有的速度不断地探测到双黑洞、双中子星、甚至可能是黑洞吞噬中子星时辐射出的引力波。这些引力波事件将带来大量宝贵的数据，进一步揭开宇宙所隐藏的秘密。
最后，天文学家在今年4月份宣布他们拍摄到了时空的终极扭曲——黑洞。这张黑洞的照片是由事件视界望远镜拍摄的，它显示了一个黑色的圆盘——黑洞的阴影——被一个橙色的光晕环绕。光晕是由绕着黑洞周围旋转的高能粒子产生的。
从1919年的日全食为广义相对论提供了第一个观测证据，到2019年事件视界望远镜拍散到第一张黑洞的照片，广义相对论经受住了所有最严峻的考验。这100年，是引力的100年，也是爱因斯坦的100年。
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文：大大/图：岳岳
扩展阅读：https://cds.cern.ch/record/489163/files/0102462.pdfNo Shadow of a Doubt: The 1919 Eclipse That Confirmed Einstein’s Theory of Relativity, Daniel Kennefick, Princeton University Press (2019)Gravity’s Century: From Einstein’s Eclipse to Images of Black Holes, Ron Cowen, Harvard University Press (2019)Einstein’s War: How Relativity Triumphed Amid the Vicious Nationalism of World War I, Matthew Stanley, Dutton (2019)
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发表于 2019-11-9 08:14
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