回首页

载《文景》2005年第4期


光线弯曲的世界:爱因斯坦寓此

钮卫星

 

1

    100年前的1905年被称作爱因斯坦的奇迹年,这一年里他在《德国物理学年鉴》上发表了5篇论文,带来了物理学三个领域内的突破,最终导致了现代物理学的两场革命。而这时,他只是供职于瑞士伯尔尼专利局内的一个默默无闻的小职员,这些论文没有给爱因斯坦烦琐而平凡的日常生活带来多大变化。此后10年间,爱因斯坦在学术界的地位逐渐上升,并从业余科学家变成了专职科学家,但他的名声只限于很窄的专业领域内。当1915年提出广义相对论之后,爱因斯坦再次把同行物理学家们远远抛在了后面,他的理论即使在最顶尖的物理学家群体中也显得曲高和寡,他的名字仅有几次出现在德国报纸上。但这一切,在1919年岁末突然发生了变化,爱因斯坦一夜之间成了全球媒体追捧的大众明星,成了万人敬仰的科学英雄。

1905年爱因斯坦在专利局办公桌旁


1927年索尔维会议上的爱因斯坦(前排居中者)
其右侧第一位为洛伦兹,第二位居里夫人,第三位普朗克

    1919年11月7日,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”。11月8日《泰晤士报》接着刊登了题为“科学革命:爱因斯坦战胜了牛顿、杰出物理学家的观点”的文章,文中说“这件事成了下议院热烈讨论的话题”;物理学家、皇家学会会员、剑桥大学教授约瑟夫·拉摩“受到围攻,要求对牛顿是否被击败了、剑桥大学是否垮台了作出答复”。11月9日大洋彼岸的《纽约时报》刊登了一组介绍爱因斯坦本人和他的理论的文章,其中引用了电子的发现者J.J.汤姆逊的断言称:“这是人类思想史上最伟大的成就之一――也许就是最最伟大的。”从这一天开始直到爱因斯坦去世,《纽约时报》没有一年没有关于爱因斯坦的报道。12月14日《柏林画报周刊》(Berliner Illustrierte Zeitung)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。”
  1921年爱因斯坦首次访问英国,下榻在负责接待他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。
  所有上述这一切的转变和后续的轰动效应,全是因为在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的一项宣布:"星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生偏折"。就是在这一隆重的宣布之下,辅以媒体的宣传,爱因斯坦一夜成名,迅速成为一个具有传奇色彩的科学明星。
  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。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。对这后两项预言,前者事实上是对已知现象的解释,后者在当时还未能给出验证。事实上,正如爱因斯坦本人应伦敦《泰晤士报》要求而撰写并发表在该报1919年11月28日13版上的《我的理论》一文中指出的,广义相对论“主要吸引人的地方在于逻辑上的完整性。从它推得的结论中,只要有一个被证明是错误的,它就必须被抛弃;对它作修改而不摧毁整个结构,那似乎是不可能的。”也就是说三项预言中如果有一项未能得到验证,广义相对论就暂时不能被接受为正确的理论。然而对光线弯曲预言的验证太具有戏剧性和轰动性了,媒体仅靠这一项就把爱因斯坦塑造为一个科学英雄。
  英雄的行为又总与正确、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。事实上,如今的媒体和大多数科学史家、科学哲学家也认为广义相对论在1919年被证明为正确了。例如,1919年的验证就被当时只有十七岁的少年卡尔·波普尔当做一个肯定的结果接受,在《猜想与反驳――科学知识的增长》一书中波普尔自述了广义相对论光线弯曲的验证对他形成“证伪理论”产生的重要影响,他说对广义相对论的预言及其验证的思考使他“在1919-1920年冬天作出以下结论,……衡量一种理论的科学地位的标准是它的可证伪性或可反驳性或可检验性”。
  然而,即使不考虑光谱线引力红移的预言尚待验证,就是英国皇家天文学会和皇家学会联合宣布的光线弯曲的“验证”也是值得推敲的。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。因此,1919年的11月份就宣布广义相对论为正确的,从专业眼光来看还为时过早。但是大众传媒却已迫不及待地把爱因斯坦塑造为一个媒体偶像,并给爱因斯坦带来了莫大的名声――对“方程式”而言并不是必须的东西。


爱因斯坦与时尚:南非美女影星2004年奥斯卡影后塞隆(Charlize Theron)
小背心上印的爱因斯坦著名的调皮照片


2

  大众传媒和艺术作品往往戏剧化、简单化和夸张地把广义相对论光线弯曲预言的验证再现给观众和读者。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》(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)中,有这样一个镜头,1919年11月某一天在德国伯林,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!这里显然犯了很多常识性错误。
  在对光线弯曲的预言和验证的非专业性介绍中,有以下三个方面的史实常容易产生混淆,因而需要澄清。
  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0.87角秒的偏折。 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,这个结果使得广义相对论与牛顿理论无法区分。1912年回到苏黎士的爱因斯坦发现空间是弯曲的,1915年11月18日已在柏林普鲁士科学院任职的爱因斯坦终于得到了太阳边缘星光的正确偏折度为1.74角秒。
  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%。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。


光线通过大质量天体附近时被弯曲的示意图

  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,再在夜晚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


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月两支观测队的测量结果被归算出来: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″。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″。
  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″, 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。
  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″。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。
  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。


赫伯特·博劳克(Herbert Block)的著名漫画《爱因斯坦寓此》

4

  1921年,在经过了多次提名和提名多次被否决之后,该年度的诺贝尔奖物理学奖终于颁发给了爱因斯坦。诺贝尔奖委员会给出的颁奖理由是:“因他对理论物理学的贡献,尤其是对光电效应定律的发现”。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,因而它一直是在哲学界中热烈讨论的课题”,“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。”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。


爱因斯坦得诺贝尔奖时的证件照

  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,让他们为各自关于宇宙结构的观点展开辩论。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,它就永远不会从那里回来折磨我们了。”  
  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,物理学家对它不感兴趣。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;从1970年到1991年还进行了12次射电观测检验。另外,直到现在对广义相对论的检验也没有停止。2004年4月20日美国NASA发射了“引力探测器B”卫星,准备对广义相对论预言的“短程线效应”(大质量物体譬如地球的存在对时空的一种扭曲效应)和“惯性系拖曳效应”(大质量物体的旋转拖曳周围时空的效应)以前所未有的精度进行验证。


5

  1914年,爱因斯坦还没有算出太阳边缘正确的光线偏折值,但在给他的好朋友贝索(Besso)的一封信中他已经以十分自信的口气写道:“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)。”
  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。”
  针对广义相对论的预言和观测验证,爱因斯坦在1930年写道:“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。”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。
  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,那些理论往往就已经被接受为科学理论。
  爱因斯坦对自己理论的自信,可以从他的言论中找到他信念的哲学基础。1918年在柏林物理学会举办的普朗克60诞辰庆祝会上,爱因斯坦发表了著名的“探索的动机”的演讲,其中说到:“物理学家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律,由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来。要通向这些定律,没有逻辑推理的途径。只有通过建立在对经验的同感的理解之上的那种直觉才能得到这些定律。”爱因斯坦强调“现象和它们的理论之间没有逻辑的桥梁”,需要靠“直觉”去获得关于现象世界的“先定的和谐”。在这里,对莱布尼兹所谓的“先定的和谐”的追求,似乎靠的是“文章本天成,妙手偶得之”似的顿悟。爱因斯坦说“渴望看到这种‘先定的和谐’,是无穷的毅力和耐心的源泉”。显然,爱因斯坦在这方面是深有体会的,在广义相对论中他就应该看到了这种“先定的和谐”。
  因此,在爱因斯坦看来,似乎无须那些观测检验,早在1914年他的理论已然由内在的简单性保证了其正确性;而在一般大众看来,1919年的“验证”就已经足够让他们“相信”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。
  然而对既不是理论提出者本人也不属于科学共同体的公众而言,他们需要的或许只是一个偶像,一个英雄。1931年1月31日在洛杉矶举行《城市之光》首映式,卓别林和爱因斯坦站在一起,面对欢呼的人群,艺术之星大有被科学之星压倒的味道。卓别林对爱因斯坦说:“他们欢呼我是因为他们都理解我,而他们欢呼你是因为没有人理解你。”历来科学家的形象都是探索真理道路上的踯躅独行者,但是从爱因斯坦开始,他们同时又可以是大众的偶像了,而科学本身往往被撇在一边。


卓别林和爱因斯坦在《城市之光》首映式

 

 

20050320加入