他們用5分鐘證明了相對論,在100年前的今天
2019年05月30日08:07

  1919 年 5 月 29 日,在非洲西海岸的普林西比島(Principe),英國天文學家亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington,1882-1944)對一場為時五分鍾的日食進行了觀測,拍下了人類歷史上最重要的一張日食照片。半年的數據分析之後,他們在倫敦召開了新聞發佈會,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,進而對哲學乃至大眾文化產生了影響。

愛丁頓拍攝的日食照片之一,後來出現在 1920 年發表的論文中。圖片來源:Wikipedia
愛丁頓拍攝的日食照片之一,後來出現在 1920 年發表的論文中。圖片來源:Wikipedia

  光有速度嗎?

  相對論的故事得從光速說起,在它誕生之前,物理學界關於光的討論已經持續了三百年。

  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,人們通常假設光速是無限的。

  在 17 世紀,伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)最先嚐試測量光速。他讓兩個觀察者各持一盞燈,A 先把燈點亮,B 看到後也點亮自己的燈,然後計算 A 從點燈到看到 B 的燈光的時間差。受限於當時的實驗條件,他沒有成功——哪怕讓兩人相距一英里(約 1.6 千米),測量結果也和他們靠在一起的時候差不多。

  17 世紀末,科學家們再次嚐試測量光速,這一次靠的是木衛食,即在地球上觀測時,木星將它的衛星遮住的現象。丹麥天文學家奧勒·羅默(Ole Romer,1644-1710)發現,當地球離木星距離不同的時候,木衛食出現的週期不一樣,距離較遠的時候木衛食出現得更晚一點,大約相差 10 分鍾,這說明此時木衛反射的光要花更長的時間才能到達地球。羅預設為這個現象證明光速是有限的。

測量光速示意圖。當地球從 L 點轉到 K 點的時候,第一個木衛食出現的時間比根據運算週期計算得到的時間要晚幾分鍾,羅預設為這就是光在經過 LK 的時候多花的時間。反之,當地球從 F 點轉到 G 點的時候,木衛食出現的時間就比計算結果要早。圖片來源:羅默於 1676 年發表的論文,Wikipedia
測量光速示意圖。當地球從 L 點轉到 K 點的時候,第一個木衛食出現的時間比根據運算週期計算得到的時間要晚幾分鍾,羅預設為這就是光在經過 LK 的時候多花的時間。反之,當地球從 F 點轉到 G 點的時候,木衛食出現的時間就比計算結果要早。圖片來源:羅默於 1676 年發表的論文,Wikipedia

  正如一切新理論一樣,這個結論並沒有被立刻接受。到 1728 年,哥本哈根發生了當地歷史上最大的火災,羅默的許多觀測資料毀於一旦。

  而大火發生前一個月,在北海的彼岸,英國天文學家詹姆斯·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地球的時間為 8 分 13 秒,與現代的觀測結果只有幾秒鍾的差異。

  水波還是顆粒?

  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?在不同的介質里,光速會發生怎樣的變化?

  同樣在 17 世紀,物理學家們對光的本質展開了研究。荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens,1629-1695)認為光是一種波,在“以太”中像水波一樣傳播。像同時代的科學家一樣,他認為以太是一種充斥所有空間的流體,地球能夠圍繞太陽轉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麼光沿直線傳播。這時候,艾薩克·牛頓(Issac Newton,1623-1727)提出了一種截然不同的理論。為瞭解釋棱鏡實驗的結果,牛頓指出,光應當是一種微粒,光通過棱鏡的時候就像網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像是足球賽里的“香蕉球”。)

  這兩種學說在解釋光速變化的時候發生了分歧:波動說認為光在折射率更大的介質中速度較小,而微粒說的推論結果恰好相反。到 19 世紀中葉,科學家才通過實驗測定了不同介質中的光速,最終推翻了微粒說。

  最著名的“失敗”實驗

  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,可是以太又是什麼樣子?

  19 世紀的物理學家並不懷疑以太的存在,只是在解釋它的性質方面遇到了重重困難。比如,偏振現象表明光存在相對於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生這樣的現象。但是,如果以太是一種固體,那麼行星又怎麼能穿過它呢?

  為了檢驗以太的性質,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)設計。實驗的原理很簡單:如果地球在以太中運動,那麼當光線順著以太運動時,它的速度應當比逆行的時候要快,就像順著水流游泳要更輕鬆一樣。

  為了保證實驗裝置處在水平、穩定的位置,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,經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,分別到達兩面鏡子(c、d)。如果光束到達兩面鏡子並返回的時間不同,就會出現相位差,最終在中間形成干涉條紋。並且隨著儀器轉動,光的路徑與以太流動方向的相對位置發生變化,那麼幹涉條紋應當會發生移動。

邁克爾遜-莫雷實驗原理圖。圖片來源:Wikipedia
邁克爾遜-莫雷實驗原理圖。圖片來源:Wikipedia

  但是,儘管多次重複實驗,邁克爾遜和莫雷並沒有發現干涉條紋的明顯移動。在當時的實驗物理學家們看來,實驗結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 世紀之時,絕對溫標的發明者開爾文說:“兩朵烏雲……遮蔽了把光和熱斷定為運動形式的動力學理論的美麗和明晰。”其中一朵烏雲指黑體輻射,另一朵就是還未找到理想解釋的邁克爾遜-莫雷干涉實驗。

  撥雲見日

  1895 年,荷蘭物理學家亨德里克·洛倫茲(Hendrik Lorentz,1853-1928)結合當時的電磁學研究成果,作出了大膽的假設:如果物體本質上是靠電磁力結合在一起的,那麼當物體在有電磁性的以太當中運動時,就可能沿著它運動方向縮短。經過複雜的計算,洛倫茲提出了洛倫茲變換,用於解釋不同參考系中運動的換算關係。

1921 年,愛因斯坦與洛倫茲。圖片來源:Wikipedia
1921 年,愛因斯坦與洛倫茲。圖片來源:Wikipedia

  洛倫茲已經很接近狹義相對論,只是他還沒有放棄以太。其他實驗物理學家也沒有放棄,他們試圖用更靈敏的儀器重複實驗,或者到海拔更高的地方重複實驗。

  為什麼那個年代的物理學家們會固執地相信這樣一種不可捉摸的物質的存在?今天的我們或許對此感到難以理解,但是在 20 世紀,否認以太可以說意味著否認物質與時間的永恒。以太的存在隱含了一個假設,那就是存在絕對客觀、亙古不變的空間參考系。從哲學的角度上看,物質佔據固定的空間,時間以固定的步調流逝,這是人類心目中對世界的固有認識。

  而愛因斯坦首先意識到,絕對空間與絕對時間的概念是想像中的虛構,它受限於人類的經驗。實際上,對統一系統的觀測結果取決於觀察者的位置,處在同一系統中的觀察者和處在另一個系統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。

  至於那個看不見、摸不著的以太,只需要承認空間具有傳播電磁波的能力,就可以拋棄對以太的依賴。愛因斯坦及合作者後來在書中寫道:

  “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結構,又不顯示絕對運動。除了發明以太時所賦予它的一種性質,即傳播電磁波的能力以外,其他任何性質都沒有了。我們力圖發現以太的性質,但一切努力都引起了困難和矛盾。經過這麼多的失敗之後,現在應該是完全丟開以太的時候,以後再也不要提起它的名字了。”

  ——《物理學的進化》

  在洛倫茲變換的基礎上,愛因斯坦於 1905 年提出了狹義相對論,進而在 1915 年提出了廣義相對論。

  偉大的五分鍾

  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大致相同,只有在宇宙的尺度,兩者才會產生分歧。有幾個關鍵的現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,當光線通過引力場的時候,路線會發生彎折。當發生日食的時候,太陽附近的恒星將不再被太陽的光芒掩蓋,並且由於太陽引力的作用,恒星發出的光線在到達地球之前發生了彎折,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言,但是在戰爭年代組織一場日食觀測何其困難。德國和美國的天文學家至少三次嚐試進行觀測,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)去往俄國準備拍攝,這時候德國對俄國宣戰了。於是日食還沒開始,俄國就逮捕了來自德國的弗羅因德里希,要求交換被俘虜的士兵。

  坎貝爾是美國人,得以留下拍攝,卻碰上了陰天。日食結束後,他迅速撤離了俄國,連帶來的珍貴儀器都沒有運走。

坎貝爾當時擔任里克天文台台長,他差一點就能證實相對論。圖片來源:Wikipedia
坎貝爾當時擔任里克天文台台長,他差一點就能證實相對論。圖片來源:Wikipedia

  在英國,愛因斯坦的論文經荷蘭偷運過來,到達當時的英國皇家天文學會秘書長愛丁頓的手上。愛丁頓對此很感興趣,他設法克服當時國內激烈的反德情緒,將愛因斯坦的工作介紹給同行,並著手準備這次日食觀測。

  此時一戰已經接近尾聲,局勢十分緊張。愛丁頓信奉貴格教,反對戰爭,一再申請免服兵役,差點因此被送進監獄。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。

  愛丁頓可以說相當走運,他在最後關頭被免除兵役。接下來,在 1918 年 11 月 11 日,一戰結束了。愛丁頓與同事們立即準備前往普林西比島,等待那次持續 5 分鍾的的日食觀測。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佈會。遠在德國的愛因斯坦躺在病床上,通過荷蘭的轉播得知了這一消息。

一戰結束多年後,愛因斯坦和愛丁頓才首次會面。圖片來源:SCIENCE PHOTO LIBRARY
一戰結束多年後,愛因斯坦和愛丁頓才首次會面。圖片來源:SCIENCE PHOTO LIBRARY

  尋找引力波

  這次日食觀測兩年後,愛因斯坦被授予諾貝爾物理學獎,卻不是因為相對論,而是表彰他“對理論物理的貢獻,尤其是對光電效應的理論解釋”。這個獎發得有些尷尬: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,廣義相對論還預言了引力紅移和引力波的性質。引力紅移指光的波長隨引力場增強而增加,向紅端移動的現象,因此同一種元素在恒星上產生的光譜線要比在地球上產生的光譜線更“紅”,這一現象直到 1925 年才被觀測證實。

  至於引力波,愛因斯坦一度懷疑它是否存在。在他去世六十年之後,引力波才被人類首次捕獲,觀測結果於 2016 年得到證實。如今,美國激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利的 Virgo 天文台仍然在仰望著夜空。它們已經捕捉到雙黑洞併合或雙中子星併合產生的引力波,最新的一些觀測數據還沒有完成分析,天文學家認為那可能是黑洞吞噬中子星產生的信號。如果這個猜想最終被證實,那麼它將成為相對論帶給我們的又一個驚喜。

在大眾文化中,愛因斯坦的形像已經成為科學的象徵。圖片來源:Wikipedia
在大眾文化中,愛因斯坦的形像已經成為科學的象徵。圖片來源:Wikipedia

  來源:科研圈

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