从光线弯曲的验证历史看广义相对论的正确性问题

钮卫星
(上海交通大学科学史与科学哲学系)

 

摘要:在该文中围绕广义相对论对光线弯曲的预言和对该预言的证实有三个方面的史实首先得到了澄清,进而对光线弯曲预言的验证历史给出了详细的叙述,在此基础上对广义相对论何时变得正确、在什么层面上是正确的等问题给予了讨论。
关键词:广义相对论 光线弯曲预言 验证 正确

On the Correctness of the Theory of General Relativity according to the Verifications of Prediction of the Bending of Light

Niu Weixing
Department for the History and Philosophy of Science, Shanghai Jiao Tong University 
Shanghai 200030

ABSTRACT
Three aspects of the historical facts around the bending of light predicted by Einstein's theory of General Relativity as well as the verifications of the prediction are clarified first in this paper. A detailed history of the verifications of the bending of light is described furthermore. Questions, such as when, how, and by whom the theory of General Relativity could be accepted as a correct theory, are tried to be answered finally.
Keywords: the theory of General Relativity, Prediction of the Bending of Light, Verification, Correctness

1

  光线在通过强引力场附近时会发生弯曲,这是广义相对论的重要预言之一。[1]然而通过直接面对大众的媒体,和一些科学文化类书籍,广义相对论光线弯曲预言的验证,往往被戏剧化、简单化和夸张地再现给观众和读者。譬如在一部艺术地再现爱因斯坦一生的法国电影《爱因斯坦》[2]中,有这样一个镜头,1919年秋季某一天在德国伯林,爱因斯坦举着一张黑乎乎的照相底片,对普朗克说:(大意)多么真实的光线弯曲啊,多么漂亮的验证啊!而一些科学类读物中的说法,譬如“爱丁顿率领着考察团,去南非看日食,真的看见了”[3]这样的描述也过于粗略,容易产生误导。
  理论预言是否已经被观测证实,直接关系到该理论应否被人们接受为正确理论。因此,笔者以为,广义相对论作出光线弯曲的预言后,对该预言验证的真实历史如何,值得做一番认真的考查。并且,在此考查基础上,笔者将对广义相对论在何种意义上、在什么时候才成为正确的理论作进一步的讨论。该讨论对于如何看待科学史上其他理论的正确性问题也应该具有一定的借鉴意义。


2

  围绕光线弯曲的预言和证实,有以下三个方面的史实容易产生混淆。在叙述验证光线弯曲预言的真实历史之前,先分别作简要澄清。
  首先,光线弯曲不是广义相对论独有的预言。早在1704年,持有光微粒说的牛顿就提出,大质量物体可能会象弯曲其他有质量粒子的轨迹一样,使光线发生弯曲。一个世纪后法国天体力学家拉普拉斯独立地提出了类似的看法。1804年德国慕尼黑天文台的索德纳(Johann von Soldner,1766-1833)根据牛顿力学,把光微粒当做有质量的粒子,预言了光线经过太阳边缘时会发生0.875角秒的偏折。[4]但是在十八世纪和十九世纪里光的波动说逐渐占据上风,牛顿、索德纳等人的预言没有被认真对待。
  1911年,时为布拉格大学教授的爱因斯坦才开始在他的广义相对论框架里计算太阳对光线的弯曲,当时他算出日食时太阳边缘的星光将会偏折0.87角秒。1912年回到苏黎士的爱因斯坦发现空间是弯曲的,到1915年已在柏林普鲁士科学院任职的爱因斯坦把太阳边缘星光的偏折度修正为1.74角秒。[5] 
  其次,需要观测来检验的不只是光线有没有弯曲,更重要的是光线弯曲的量到底是多大,并以此来判别哪种理论与观测数据符合得更好。这里非常关键的一个因素就是观测精度。即使观测结果否定了牛顿理论的预言,也不等于就支持了广义相对论的预言。只有观测值在容许的误差范围内与爱因斯坦的预言符合,才能说观测结果支持广义相对论。二十世纪六十年代初,有一种新的引力理论――布兰斯-迪克理论(Brans-Dicke Theory)也预言星光会被太阳偏折,偏折量比广义相对论预言的量小8%。[6]为了判别广义相对论和布兰斯-迪克理论哪个更符合观测结果,对观测精度就提出了更高的要求。
  第三,光线弯曲的效应不可能用眼睛直观地在望远镜内或照相底片上看到,光线偏折的量需要经过一系列的观测、测量、归算后得出。要检验光线通过大质量物体附近发生弯曲的程度,最好的机会莫过于在发生日全食时对太阳所在的附近天区进行照相观测。在日全食时拍摄若干照相底片,然后等若干时间(最好半年)之后,太阳远离了发生日食的天区,再对该天区拍摄若干底片。通过对前后两组底片进行测算,才能确定星光被偏折的程度。
  这里还需要指出,即使是在日全食时,在紧贴太阳边缘处也是不可能看到恒星的。以1973年的一次观测为例,被拍摄到的恒星大多集中在离开太阳中心5到9个太阳半径的距离处(见图1),所以太阳边缘处的星光偏折必定是根据归算出来的曲线进行外推而获得的量。靠近太阳最近的一、二颗恒星往往非常强烈地影响最后的结果。


图1  1973年日食观测所得的星光偏折值与恒星离开太阳距离的关系(《日全食》,206页)

 

3

  在广义相对论光线弯曲预言的验证历史上,一个重要的人物就是英国物理学家爱丁顿(Arthur Eddington 1882-1944)。1915年爱因斯坦给出太阳边缘恒星光线弯曲的最后结果时,正值第一次世界大战各方交战正酣。处在敌对国家中的爱丁顿通过荷兰人了解到了爱因斯坦理论,并对检验广义相对论关于光线弯曲的预言十分感兴趣。一战结束后,爱丁顿说动了英国政府资助在1919年5月29日发生日全食时进行检验光线弯曲的观测。英国人为那次日食组织了两个观测远征队,一队到巴西北部的索布拉尔(Sobral);另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛(Principe)。爱丁顿参加了后一队,但他的运气比较差,日全食发生时普林西比的气象条件不是很好。1919年11月两支观测队的结果被归算出来:索布拉尔观测队的结果是1.98″±0.12″;普林西比队的结果是1.61″±0.30″。[7]1919年11月6日,英国人宣布光线按照爱因斯坦所预言的方式发生偏折。
  但是这一宣布是草率的,因为两支观测队归算出来的最后结果受到后来研究人员的怀疑。天文学家们明白,在检验光线弯曲这样一个复杂的观测中,导致最后结果产生误差的因素很多。其中影响很大的一个因素是温度的变化,温度变化导致大气扰动的模型发生变化、望远镜聚焦系统发生变化、照相底片的尺寸因热胀冷缩而发生变化,这些变化导致最后测算结果的系统误差大大增加。爱丁顿他们显然也认识到了温度变化对仪器精度的影响,他们在报告中说,小于10°F的温差是可以忽略的。但是索布拉尔夜晚温度为75°F,白天温度为97°F,昼夜温差达22°F。后来研究人员考虑了温度变化带来的影响,重新测算了索布拉尔的底片,最大的光线偏折量可达2.16″±0.14″。[8] 
  底片的成像质量也影响最后结果。1919年7月在索布拉尔一共拍摄了26张比较底片,其中19张由格林尼治皇家天文台的天体照相仪拍摄,这架专门用于天体照相观测的仪器聚焦系统出了一点问题,所拍摄的底片质量较差,另一架4英寸的望远镜拍摄了7张成像质量较好的底片。按照前19张底片归算出来的光线偏折值是0.93″(《天文学名著选译》,p.460), 按照后7张底片归算出来的光线偏折值却远远大于爱因斯坦的预言值。最后公布的值是所有26张底片的平均值,只不过前19张底片的加权值取得较小。1929年德国的研究人员对英国人的观测结果进行验算后发现,如果去掉其中一颗恒星,譬如成像不好的恒星,会大大改变最后结果(《日全食》,200-201页)。
  后来1922年、1929年、1936年、1947年和1952年发生日食时,各国天文学家都组织了检验光线弯曲的观测,公布的结果与广义相对论的预言有的符合较好,有的则严重不符合。但不管怎样,到二十世纪六十年代初,天文学家开始确信太阳对星光确有偏折,并认为爱因斯坦预言的偏折量比牛顿力学所预言的更接近于观测。但是广义相对论的预言与观测结果仍有偏差,爱因斯坦的理论可能需要修正。
  1973年6月30日的日全食是二十世纪全食时间第二长的日全食,并且发生日全食时太阳位于恒星最密集的银河星空背景下,十分有利于对光线偏折进行检验。美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲建造了专门用于观测的绝热小屋,并为提高观测精度作了精心的准备,譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、对整个仪器各个部分的温度变化进行监控等等。在拍摄了日食照片后,观测队封存了小屋,用水泥封住了望远镜上的止动销,到11月初再回去拍摄了比较底片。用精心设计的计算程序对所有的观测量进行分析之后,得到太阳边缘处星光的偏折是1.66″±0.18″(《日全食》,206页)。这一结果再次证实广义相对论的预言比牛顿力学的预言更符合观测,但是难以排除此前已经提出的布兰斯-迪克理论。

表1 多次日食期间对光线弯曲的光学观测结果[9] 

日期

地点

结果及误差(角秒)

1919529

Sobral

1.98±0.16

Principe

1.61±0.40

 

1922921

 

Australia

1.77±0.40

1.422.16

1.72±0.15

1.82±0.20

192959

Sumatra

2.24±0.10

1936619

USSR

2.73±0.31

Japan

1.282.13

1947520

Brazil

2.01±0.27

1952225

Sudan

1.70±0.10

1973630

Mauritania

1.66±0.18

  光学观测的精度似乎到了极限,人们想到通过观测太阳对无线电波的偏折来检验广义相对论的预言。从1970年左右开始进行了这样的观测,1974年到1975年间,福马伦特(A. B. Fomalont)和什拉梅克(R. A. Sramek)利用甚长基线干涉技术,观测了太阳对三个射电源的偏折,最后(1976年)得到太阳边缘处射电源的微波被偏折1.761″±0.016″。终于天文学家以误差小于1%的精度证实了广义相对论的预言,到1991年利用多家天文台协同观测的技术,以万分之一的精度证实了广义相对论对光线弯曲的预言。只不过这时观测的不再是看得见的光线而是看不见的无线电波。

表2 太阳对无线电波偏折的射电观测结果[10]

地点

观测值与广义相对论预言值之比

1970

Owens Valley

1.01±0.11

1970

Goldstone

1.04±0.15

1971

(American) National RAO

0.90±0.05

1971

Mullard RAO

1.07±0.17

1973

Cambridge

1.04±0.08

1974

Westerbork

0.96±0.05

1974

Haystack/National

0.99±0.03

1975

(American) National RAO

1.015±0.011

1975

Westerbork

1.04±0.03

1976

(American) National RAO

1.007±0.009

1984

VBLI

1.004±0.002

1991

VBLI

1.0001±0.0001

 

4

  根据前述的对光线弯曲的验证历史,似乎就存在这样一个疑问:难道只能说直到1973年甚至1991年才能说爱因斯坦的广义相对论才成为“正确”的理论?为了消解这个疑问,笔者认为需要在三个层面上谈广义相对论的正确性问题,
  第一个层面是在一般公众眼里广义相对论的正确性问题。
  在1919年11月6日召开的英国皇家天文学会和皇家学会联合举行的大会上,天文学家罗伊尔宣布:“星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生偏折”。第二天,历来谨慎的英国《泰晤士报》(Times)赫然出现醒目的标题文章:“科学中的革命”,两个副标题是“宇宙新理论”、“牛顿观念的破产”(Pais, p.306-307)。1919年12月14日《柏林画报》(Berliner Illustrierte Zeitung)周刊的封面刊登了爱因斯坦的照片,并配上这样的标题说明:“世界历史上的一个新伟人:阿尔伯特·爱因斯坦,他的研究标志着我们自然观念的一次全新革命,堪与哥白尼、开普勒、牛顿比肩。” (Pais, p.308)
  从广义相对论提出之后半个多世纪里人们对光线弯曲预言的检验情况来看,1919年所谓的验证在相当程度上是不合格的。但毋庸置疑的是,爱因斯坦因这次验证的公布获得了极大的荣誉。在媒体的宣传下,爱因斯坦迅速成为一个传奇人物,一个万人敬仰的英雄。1921年爱因斯坦首次访问英国,下榻在负责接待的霍尔丹勋爵在伦敦的住所,霍尔丹的女儿见到这位著名的客人来到她家时激动得晕了过去。
  英雄的行为总与正确、正义等属性联系在一起。在那个世界上还没有几个人能理解广义相对论的年代,《泰晤士报》和《柏林画报》等媒体的读者们显然大多已把广义相对论当作正确的理论接受了。而事实上,如今的媒体和大多数科学史家、科学哲学家也都把1919年的日食观测当作证实了爱因斯坦理论的观测。[11]
    第二个层面是广义相对论提出者爱因斯坦本人眼里广义相对论的正确性问题。
  爱因斯坦是如何看待他的理论作出的预言和观测验证的呢?早在1914年,爱因斯坦还没有算出正确的光线偏折值,就已经以十分的自信在给贝索(Besso)的信中说:“无论日食观测成功与否,我已毫不怀疑整个理论体系的正确性(correctness)。”(Pais, p.303)
  还有一个故事也广泛流传,说的是当光线弯曲预言被英国人的日食观测证实的消息传来时,爱因斯坦正在上课,一位学生问他,假如他的预言被证明是错的,他会怎么办?爱因斯坦回答说:“那么我会为亲爱的上帝觉得难过,毕竟我的理论是正确的。”(Pais, p.30)
  关于广义相对论的预言和观测验证,爱因斯坦有他自己的观点。1930年爱因斯坦写道:“我认为广义相对论主要意义不在于预言了一些微弱的观测效应,而是在于它的理论基础和构造的简单性。”(Pais, p.273)在爱因斯坦看来,是广义相对论内在的简单性保证了它的“正确”性。1919年的证实确实给爱因斯坦带来了荣誉,但那是科学理论之外的事情;1919年的证实或许还让更多的人“相信”广义相对论是“正确”的,但这种证实很大程度上只是起到了“说服”的作用。
  从科学史上来看,精密的数理科学的进步模式确实有着这样的规律和特点:它们往往是运用了当时已有的最高深的数学知识而构建起来的一些精致的理论模型,它们的“正确”性很大程度上由它们内在的简单性和统一性所保证。虽然它们必然会给出可供检验的预言,譬如哥白尼日心说预言了恒星周年视差,爱因斯坦广义相对论预言了光线弯曲,霍金的黑洞理论预言了霍金辐射,但不必等到这些预言被证实,那些理论就应该并已经被当做科学理论。
  第三个层面是科学家和相关研究人员眼里广义相对论的正确性问题。
  众所周知,爱因斯坦在1921年获得诺贝尔奖物理学奖是由于他提出的光量子理论。瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖委员会主席阿雷纽斯在颁奖致辞中总结爱因斯坦的主要物理学工作时提到“爱因斯坦第三方面的研究是关于普朗克在1900年所创立的量子理论的研究,他特别是为此项研究才获得诺贝尔奖。”阿雷纽斯在致辞中当然也提到了爱因斯坦的相对论工作,但他把相对论说成是“从根本上说是与认识论有关的”,“著名的哲学家柏格森(Bergson)在巴黎批评了这个理论”,并且“天体物理学界也对此理论持怀疑态度,因为相关结论目前正在受到严格的检验。”[12]显然在这位诺贝尔物理学奖委员会主席眼里,两年前英国人的所谓验证似乎没有发生过。
  所谓天体物理学界的怀疑,可以从下面的例子可见一斑。1920年在华盛顿召开了一次天文学史或者说宇宙学史上的一次重要会议,这次会议的主要目的是为沙普利(Harlow Shapley)和柯蒂斯(Heber Curtis)提供场所,为他们各自关于宇宙结构的观点展开了辩论。[13]这次会议在科学史上被称作“大辩论”。“大辩论”的组织者阿伯特(C.G.Abbot)拒绝把相对论当作为一个可能的会议议题,他说:“我向上帝祈祷,科学的进步会把相对论送到第四维空间之外的某个地方,它就永远不会从彼处回来折磨我们了。” [14]
  虽然说,可以把这位阿伯特看作是反对广义相对论的极端例子。但科学史的史实是,在专业领域内,广义相对论走过了比狭义相对论更为曲折的道路。在广义相对论提出后的较长一段时期里,物理学家对广义相对论不感兴趣。正如斯蒂芬·温伯格曾指出的那样,当时在最基本的层次上研究物质的全部现代物理学,在很大程度上依靠两大支柱:一是狭义相对论,二是量子力学。也就是说,广义相对论与狭义相对论不同,它对于当时主要的研究课题如物质理论和辐射理论并不是必须的。
  除了对广义相对论不感兴趣的一部分科学家之外,另外一部分对之感兴趣的,则在对广义相对论进行更严格更精密的检验。就光线弯曲预言来说,从1919年到1973年,进行了12次光学观测检验(表1);另外从1970年到1991年又还进行了12次射电观测检验(表2)。
  在爱因斯坦看来,似乎无须这些检验,早在1914年他的理论已然由内在的简单性保证其正确了;在一般大众看来,1919年的检验就已经足够证明广义相对论是正确的。那么1919年以后几十年里对光线弯曲的检验还有什么意义呢?
  笔者以为,通过观测来证实某一理论,对于该理论被科学共同体接受有至关重要的作用。在理论提出者譬如爱因斯坦来说,他自信理论的正确性有内在的保证。而对于更多的其他人,他们并没有能力在深刻理解理论的基础上来判断该理论的正确性,所以只能采取“预言-证实”这样一种在其他场合也能行之有效的模式来判断理论的正确性。假如那位阿伯特能活到1991年,只要他使用科学共同体通行的科学思维和科学方法对待问题,那么他也必定承认广义相对论在万分之一的精度范围内是正确的。

 

[1]广义相对论同时还作出了另外两项可供检验的预言:水星近日点的异常进动和光谱线的引力红移。对这两项预言,前者事实上是对已知现象的解释,后者的观测效应不是很明显。相对而言,光线弯曲预言的观测效应和“验证”后的轰动性都比较显著,因此本文从对光线弯曲预言的验证历史入手来讨论广义相对论在人们心目中的正确性问题。
[2]编剧:贝阿特里斯·鲁班斯坦, 让—弗朗索瓦·格里布兰,导演:拉扎尔·伊格莱希,法国,1984。
[3]吴国盛,《自由的科学》,福建教育出版社,2002年8月,128页。另,爱丁顿率队观测日食的地点是非洲几内亚湾中的普林西比岛,而不是南非。
[4]Jean Surdej & Jean-Françis Claeskens, Gravitational lensing, The Century of Space Science, pp.441-469, Kluwer Academic Publishers, 2001. p.442.
[5]Abraham Pais,“subtle is the lord…”, The Science and the Life of Albert Einstein, Oxford University Press, 1982, p.303.
[6]杰克·齐克尔著,傅承启译,《日全食》,上海科技教育出版社,普林斯顿科学文库8,2002年,202页。
F. W. 戴森、A. S. 爱丁顿、C. 戴维森,根据1919年5月29日的日全食观测测定太阳引力场中光线的弯曲,[7]《天文学名著选译》,宣焕灿选编,知识出版社,1989年,pp.451-461。
[8]M. Neves, et al, Fantasies, Myths and Fallacies in Modern Physics Teaching: the Case of the 3 “R”s (Radioactivity, Relativity, Red-shifts), Physics Teacher Education Beyond 2000, Roser Pinto & Santiago Surinach (eds.), Paris: Elsevier, 2001, pp.487-491.
[9]主要参考《日全食》(上海科技教育出版社,2002年)201页表9.1,本文增加了1973年的观测结果。
[10]表中数据引自网页 http://www.mathpages.com/rr/s6-03/6-03.htm,为电子书Reflections on Relativity第六章第三节中内容。
[11]1919年的“验证”被当时只有十七岁的少年波普尔当做一个肯定的结果接受,并对他形成“证伪理论”产生了重要影响。参见《猜想与反驳――科学知识的增长》(卡尔·波普尔著,傅季重、纪树立、周昌忠、蒋弋为译,上海译文出版社,1986年)第50-52页的叙述。
[12]《诺贝尔奖获得者演讲集·物理学》第一卷,宋玉升等译,科学出版社,1985年,第420页。
[13]沙普利主张直径30万光年的大银河系,认为漩涡星系等天体在银河系内部。柯蒂斯主张这些旋涡星系是银河系外的“岛宇宙”,是跟银河系并级的天体结构。双方在此之前经历了很多年的辩论。
[14]霍斯金主编,江晓原等译,《剑桥插图天文学史》,山东画报出版社,2003年,340页。

 

 

2003年8月23日加入