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载《新发现》杂志2012年第6期
科学外史(72)

爱丁顿到底有没有验证广义相对论?

江晓原
 


一个教科书中的神话
  有一些进入了教科书的说法,即使被后来的学术研究证明是错了,仍然会继续广泛流传数十年之久。“爱丁顿1919年观测日食验证了广义相对论”就是这样的说法之一。即认为爱丁顿通过1919年5月的日全食观测,验证了爱因斯坦广义相对论对引力场导致远处恒星光线偏折的预言。这一说法在国内各种科学书籍中到处可见,稍举数例如下:
  理查德·奥尔森等人编的《科学家传记百科全书》“爱丁顿”条这样写道:“爱丁顿……拍摄1919年5月的日蚀。他在这次考察中获得的结果……支持了爱因斯坦惊人的预言。”著名的伽莫夫《物理学发展史》、卡约里《物理学史》中都采用同样的说法。在非物理学或天体物理学专业的著作中,这种说法也极为常见,比如在卡尔·齐默所著《演化:跨越40亿年的生命纪录》一书中,为反驳“智能设计论”,举了爱因斯坦广义相对论对引力场导致远处恒星光线偏折的预言为例,说“智能设计论”无法提出这样的预言,所以不是科学理论。作者也重复了关于爱丁顿在1919年日食观测中验证了此事的老生常谈。这个说法还进入了科学哲学的经典著作中,波普尔在著名的《猜想与反驳》一书中,将爱丁顿观测日食验证爱因斯坦预言作为科学理论预言新的事实并得到证实的典型范例。他说此事“给人以深刻印象”,使他“在1919~1920年冬天”形成了著名的关于“证伪”的理论。爱丁顿验证了广义相对论的说法,在国内作者的专业书籍和普及作品中更为常见。
  这个被广泛采纳的说法从何而来的呢?它的出身当然是非常“高贵”的。例如我们可以找到爱丁顿等三人联名发表在1920年《皇家学会哲学会报》(Philosophical Transactions of the Royal Society)上的论文,题为《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》,作者在论文最后的结论部分,明确地、满怀信心地宣称:“索布拉尔和普林西比的探测结果几乎毋庸置疑地表明,光线在太阳附近会发生弯曲,弯曲值符合爱因斯坦广义相对论的要求,而且是由太阳引力场产生的。”
  上述结论当然不是爱丁顿爵士的自说自话,它早已得到科学共同体的权威肯定。事实上在此之前爱丁顿已经公布了他的上述结论。因为在1919年的《自然》(Nature)杂志上,E. Cunningham连载两期的长文《爱因斯坦关于万有引力的相对论》中已经引用了上述爱丁顿论文中的观测数据和结论。
  
爱丁顿其实未能验证爱因斯坦的预言
  那么这个进入教科书多年的“标准说法”,究竟有什么问题呢?
  这就要涉及“科学的不确定性”了。本来,诸如相对论、物理学、天体物理之类的学问,在西方通常被称为“精密科学”——指它们可以有精密的实验或观测,并可以用数学工具进行高度精确的描述。但是,即使是这样的学问,仍然有很大的不确定性。而这种不确定性是我们传统的“科普”中视而不见或尽力隐瞒的。
  具体到在日食时观测太阳引力场导致的远处恒星光线弯曲(偏折)这件事,事实上其中的不确定性远远超出公众通常的想象。
  之所以要在日食时来验证太阳引力场导致的远处恒星光线弯曲,是因为平时在地球上不可能看到太阳周围(指视方向而言)的恒星,日全食时太阳被月球挡住,这时才能看到太阳周围的恒星。在1919年的时代,要验证爱因斯坦广义相对论关于光线弯曲的预言,办法只有在日食时进行太阳周围天区的光学照相。但麻烦的是,在照片上当然不可能直接看到恒星光线弯曲的效应,所以必须仔细比对不同时间对相同天区拍摄的照片,才能间接推算出恒星光线弯曲的数值。
  比较合理的办法是,在日食发生时对太阳附近天区照相,再和日食之前半年(或之后半年)对同一天区进行的照相(这时远处恒星光线到达地球的路上没有经过太阳的引力场)进行比对。通过对相隔半年的两组照片的比对和测算,确定恒星光线偏折的数值。这些比对和测算过程中都要用到人的肉眼,这就会有不确定性。
  更大的不确定性,是因为即使在日全食时,紧贴太阳边缘处也是不可能看到恒星的,所以太阳边缘处的恒星光线偏折数值只能根据归算出来的曲线外推而得,这就使得离太阳最近的一两颗恒星往往会严重影响最后测算出来的数值。
  那么爱丁顿1919年观测归来宣布的结论是否可靠呢?事后人们发现,是不可靠的。
  在这样一套复杂而且充满不确定性的照相、比对、测算过程中,使最后结果产生误差的因素很多,其中非常重要的一个因素是温度对照相底片的影响。爱丁顿他们在报告中也提到了温度变化对仪器精度的影响,他们认为小于10°F的温差是可以忽略的,但在两个日食观测点之一的索布拉尔,昼夜温差达到22°F。在索布拉尔一共拍摄了26张比较底片,其中19张由一架天体照相仪拍摄,质量较差;7张由另一架望远镜拍摄,质量较好。然而按照后7张底片归算出来的光线偏折数值,却远远大于爱因斯坦预言的值。
  最后公布的是26张底片的平均值。研究人员后来验算发现,如果去掉其中成像不好的一两颗恒星,最后结果就会大大改变。

不是学术造假,是社会建构
  爱丁顿当年公布这样的结论,在如今某些“学术打假恐怖主义”人士看来,完全可以被指控为“学术造假”。当然,事实上从来也没有人对爱丁顿作过这样的指控。科学后来的发展最终还是验证了他的“验证”。
  在1919年爱丁顿轰动世界的“验证”之后,1922年、1929年、1936年、1947年、1952年各次日食时,天文学家都组织了检验恒星光线弯曲的观测,各国天文学家公布的结果言人人殊,有的与爱因斯坦预言的数值相当符合,有的则严重不符。这类观测中最精密、最成功的一次是1973年6月30日的日全食,美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲作了长期的准备工作,用精心设计的计算程序对所有的观测进行分析之后,得到太阳边缘处恒星光线偏折值为1.66″±0.18″。为了突破光学照相观测的极限,1974~1975年间,福马伦特和什拉梅克利用甚长基线干涉仪观测了太阳引力场对三个射电源辐射的偏折,终于以误差小于1%的精度证实了爱因斯坦的预言。也就是说,直到1975年,爱因斯坦广义相对论的预言才真正得到了验证。但这一系列科学工作通常都没有得到公众和媒体的关注。
  那么,爱丁顿当年为什么不老老实实宣布他们得到的观测结果未能验证爱因斯坦的预言呢?我们倒也不必对爱丁顿作诛心之论,比如说他学风不严谨、动机不纯洁等等。事实上,只需认识到科学知识中不可避免地会有社会(人为)建构的成分,就很容易理解爱丁顿当年为什么要那样宣布了。
  科学中的不确定性其实普遍存在,而不确定性的存在就决定了科学知识中必然有人为建构的成分,这是一个方面。另一方面,则是社会因素的影响。爱丁顿当时的学术声誉、他的自负(相传他当时自命为除了爱因斯坦之外唯一懂得相对论的人)、科学共同体和公众以及大众传媒对他1919年日食观测的殷切期盼等等,这一切都在将他“赶鸭子上架”,他当时很可能被顶在杠头上下不来了。
  所以,是1919年的科学界、公众、媒体,和爱丁顿共同建构了那个后来进入教科书的神话。

                                                                                                    加入日期 20120701