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第26章 弯曲的光线

1870年的一天,英国皇家学会的演讲厅内座无虚席。物理学家丁达尔从容地走上讲台,他清了清嗓子说:“几个月之前有位朋友告诉我,从酒桶里流出来的酒竟会熠熠发光,真是不可思议。我听了之后也觉得奇怪,诸位对此也一定存有疑虑,所以我先来演示一番。”说着,他走到放在讲桌上的水桶旁,拔掉塞在水桶侧面孔上的木塞,并用光从水桶上面向水面照明。观众们都出乎意料地看到了这样的奇迹:发光的水从水桶的小孔里流了出来,水流弯曲,光线也跟着弯曲,光居然被弯弯曲曲的水俘获了。这究竟是为什么呢?难道光线不再是直线了吗?丁达尔接着解释说:“原来这是全反射起的作用。表面上看,光好像走着弯路,实际上光是在弯曲的水流的内表面发生了多次的反射,光走过的是一条曲曲折折的折线哩!”

光线弯曲示意图

其实,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。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》中,有这样一个镜头,1919年秋季某一天在德国柏林,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!

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,大质量物体可能会像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。但是在18世纪和19世纪,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年回到苏黎世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。

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。只有观测值在允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。20世纪60年代初,有一种新的引力理论——布兰斯—迪克理论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。

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。

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。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;另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛。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。

弯曲时空示意图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。

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20世纪60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。