- 相關(guān)推薦
廣義相對論是怎樣被證明的
光線在通過大質(zhì)量物體附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，這是廣義相對論的一個(gè)重要預(yù)言。但對這一預(yù)言的驗(yàn)證常被戲劇化地、簡單化和夸張地再現(xiàn)給觀眾和讀者，大大偏離了科學(xué)史史實(shí)。那么，真實(shí)的情形如何呢？
在一部藝術(shù)地再現(xiàn)愛因斯坦一生的法國電影《愛因斯坦》中，有這樣一個(gè)鏡頭，1919年秋季某一天在德國柏林，愛因斯坦舉著一張黑乎乎的照相底片，對普朗克說：（大意）多么真實(shí)的光線彎曲啊，多么漂亮的驗(yàn)證��！
光線在通過大質(zhì)量物體附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，這是廣義相對論的一個(gè)重要預(yù)言。但對這一預(yù)言的驗(yàn)證常被戲劇化、簡單化和夸張地再現(xiàn)給觀眾和讀者，大大偏離了科學(xué)史史實(shí)。筆者覺得圍繞光線彎曲的預(yù)言與驗(yàn)證，有以下三個(gè)方面的史實(shí)需要澄清。
首先，光線彎曲不是廣義相對論獨(dú)有的預(yù)言。早在1801年索德納（Johann von Soldner，1766－1833）就根據(jù)牛頓力學(xué)，把光微粒當(dāng)做有質(zhì)量的粒子，預(yù)言了光線經(jīng)過太陽邊緣時(shí)會(huì)發(fā)生0.87角秒的偏折。1911年在布拉格大學(xué)當(dāng)教授的愛因斯坦根據(jù)相對論算出日食時(shí)太陽邊緣的星光將會(huì)偏折0.87角秒。1912年回到蘇黎士的愛因斯坦發(fā)現(xiàn)空間是彎曲的，到1915年已在柏林普魯士科學(xué)院任職的愛因斯坦把太陽邊緣星光的偏折度修正為1.74角秒。
其次，需要觀測來檢驗(yàn)的不只是光線有沒有彎曲，更重要的是光線彎曲的量到底是多大，并以此來判別哪種理論與觀測數(shù)據(jù)符合得更好。這里非常關(guān)鍵的一個(gè)因素就是觀測精度。即使觀測結(jié)果否定了牛頓理論的預(yù)言，也不等于就支持了廣義相對論的預(yù)言。只有觀測值在容許的誤差范圍內(nèi)與愛因斯坦的預(yù)言符合，才能說觀測結(jié)果支持廣義相對論。20世紀(jì)60年代初，有一種新的引力理論——布蘭斯－迪克理論（Brans－Dicke Theory）也預(yù)言星光會(huì)被太陽偏折，偏折量比廣義相對論預(yù)言的量小8％。為了判別廣義相對論和布蘭斯－迪克理論哪個(gè)更符合觀測結(jié)果，對觀測精度就提出了更高的要求。
第三，光線彎曲的效應(yīng)不可能用眼睛直觀地在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)或照相底片上看到，光線偏折的量需要經(jīng)過一系列的觀測、測量、歸算后得出。要檢驗(yàn)光線通過大質(zhì)量物體附近發(fā)生彎曲的程度，最好的機(jī)會(huì)莫過于在發(fā)生日全食時(shí)對太陽所在的附近天區(qū)進(jìn)行照相觀測。在日全食時(shí)拍攝若干照相底片，然后最好等半年之后對同一天區(qū)再拍攝若干底片。通過對相隔半年的兩組底片進(jìn)行測算，才能確定星光被偏折的程度。這里還需要指出，即使是在日全食時(shí)，在緊貼太陽邊緣處也是不可能看到恒星的。以1973年的一次觀測為例，被拍攝到的恒星大多集中在離開太陽中心5到9個(gè)太陽半徑的距離處，所以太陽邊緣處的星光偏折必定是根據(jù)歸算出來的曲線而外推獲得的量�？拷栕罱囊�、二顆恒星往往非常強(qiáng)烈地影響最后的結(jié)果。
作了上述澄清之后，再來看本文開頭所述的電影《愛因斯坦》中的藝術(shù)表達(dá)手法，過分得有點(diǎn)在愚弄觀眾的味道了；而一些科學(xué)類讀物中的說法，譬如“愛丁頓率領(lǐng)著考察團(tuán)，去南非看日食，真的看見了”這樣的描述也過于粗略，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。那么，對光線彎曲預(yù)言的驗(yàn)證的真實(shí)歷史是怎樣的呢？
愛丁頓對檢驗(yàn)廣義相對論關(guān)于光線彎曲的預(yù)言十分感興趣。為了在1919年5月29日發(fā)生日全食時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)光線彎曲的觀測，英國人組織了兩個(gè)觀測遠(yuǎn)征隊(duì)。一隊(duì)到巴西北部的索布拉爾（Sobral），另一隊(duì)到非洲幾內(nèi)亞海灣的普林西比島（Principe），愛丁頓參加了后一隊(duì)，但他的運(yùn)氣比較差，日全食發(fā)生時(shí)普林西比的氣象條件不是很好。1919年11月兩支觀測隊(duì)的結(jié)果被歸算出來：索布拉爾觀測隊(duì)的結(jié)果是1.98″±0.12″；普林西比隊(duì)的結(jié)果是1.61″±0.30″。1919年11月6日，英國人宣布光線按照愛因斯坦所預(yù)言的方式發(fā)生偏折。
但是這一宣布是草率的，因?yàn)閮芍в^測隊(duì)歸算出來的最后結(jié)果后來受到人們的懷疑。天文學(xué)家們明白，在檢驗(yàn)光線彎曲這樣一個(gè)復(fù)雜的觀測中，導(dǎo)致最后結(jié)果產(chǎn)生誤差的因素很多。其中影響很大的一個(gè)因素是溫度的變化，溫度變化導(dǎo)致大氣擾動(dòng)的模型發(fā)生變化、望遠(yuǎn)鏡聚焦系統(tǒng)發(fā)生變化、照相底片的尺寸因熱脹冷縮而發(fā)生變化，這些變化導(dǎo)致最后測算結(jié)果的系統(tǒng)誤差大大增加。愛丁頓他們顯然也認(rèn)識(shí)到了溫度變化對儀器精度的影響，他們在報(bào)告中說，小于10°F的溫差是可以忽略的。但是索布拉爾夜晚溫度為75°F，白天溫度為97°F，晝夜溫差達(dá)22°F。后來研究人員考慮了溫度變化帶來的影響，重新測算了索布拉爾的底片，最大的光線偏折量可達(dá)2.16″±0.14″。
底片的成像質(zhì)量也影響最后結(jié)果。1919年7月在索布拉爾一共拍攝了26張比較底片，其中19張由格林尼治皇家天文臺(tái)的天體照相儀拍攝，這架專門用于天體照相觀測的儀器所拍攝的底片質(zhì)量卻較差，另一架4英寸的望遠(yuǎn)鏡拍攝了7張成像質(zhì)量較好的底片。按照前19張底片歸算出來的光線偏折值是0.93″，按照后7張底片歸算出來的光線偏折值卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于愛因斯坦的預(yù)言值。最后公布的值是所有26張底片的平均值。研究人員驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)，如果去掉其中成像不好的一、二顆恒星，會(huì)大大改變最后結(jié)果。
后來1922年、1929年、1936年、1947年和1952年發(fā)生日食時(shí)，各國天文學(xué)家都組織了檢驗(yàn)光線彎曲的觀測，公布的結(jié)果有的與廣義相對論的預(yù)言符合較好，有的則嚴(yán)重不符合。但不管怎樣，到20世紀(jì)60年代初，天文學(xué)家開始確信太陽對星光有偏折，并認(rèn)為愛因斯坦預(yù)言的偏折量比牛頓力學(xué)所預(yù)言的更接近于觀測，但是愛因斯坦的理論可能需要修正。
1973年6月30日的日全食是20世紀(jì)全食時(shí)間第二長的日全食，并且發(fā)生日全食時(shí)太陽位于恒星最密集的銀河星空背景下，十分有利于對光線偏折進(jìn)行檢驗(yàn)。美國人在毛里塔尼亞的欣蓋提沙漠綠洲建造了專門用于觀測的絕熱小屋，并為提高觀測精度作了精心的準(zhǔn)備，譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、對整個(gè)儀器的溫度變化進(jìn)行監(jiān)控等等。在拍攝了日食照片后，觀測隊(duì)封存了小屋，用水泥封住了望遠(yuǎn)鏡上的止動(dòng)銷，到11月初再回去拍攝了比較底片。用精心設(shè)計(jì)的計(jì)算程序?qū)λ械挠^測量進(jìn)行分析之后，得到太陽邊緣處星光的偏折是1.66″±0.18″。這一結(jié)果再次證實(shí)廣義相對論的預(yù)言比牛頓力學(xué)的預(yù)言更符合觀測，但是難以排除此前已經(jīng)提出的布蘭斯－迪克理論。
光學(xué)觀測的精度似乎到了極限，但1974年到1975年間，福馬倫特和什拉梅克利用甚長基線干涉儀，觀測了太陽對三個(gè)射電源的偏折，最后得到太陽邊緣處射電源的微波被偏折1.761″±0.016″。終于天文學(xué)家以誤差小于1％的精度證實(shí)了廣義相對論的預(yù)言，只不過觀測的不是看得見的光線而是看不見的微波。
那么，我們難道只能說直到1975年愛因斯坦的廣義相對論才成為“正確”的理論？才上升為科學(xué)？
從本文前述廣義相對論提出之后半個(gè)多世紀(jì)里人們對光線彎曲預(yù)言的檢驗(yàn)情況來看，1919年所謂的驗(yàn)證在相當(dāng)程度上是不合格的。但愛因斯坦因這次驗(yàn)證而獲得了極大的榮譽(yù)也是毋庸置疑的。如今的媒體和大多數(shù)科學(xué)史家也都把1919年的日食觀測當(dāng)做證實(shí)了愛因斯坦理論的觀測。那么愛因斯坦本人又是如何看待他的理論預(yù)言和觀測驗(yàn)證的呢？
早在1914年，愛因斯坦還沒有算出正確的光線偏折值，就已經(jīng)在給貝索（Besso）的信中說：“無論日食觀測成功與否，我已毫不懷疑整個(gè)理論體系的正確性（correctness）�！边�有一個(gè)故事也廣泛流傳，說的是當(dāng)預(yù)言被證實(shí)的消息傳來，愛因斯坦正在上課，一位學(xué)生問他假如他的預(yù)言被證明是錯(cuò)的，他會(huì)怎么辦？愛因斯坦回答說：“那么我會(huì)為親愛的上帝覺得難過，畢竟我的理論是正確的。”1930年愛因斯坦寫道：“我認(rèn)為廣義相對論主要意義不在于預(yù)言了一些微弱的觀測效應(yīng)，而是在于它的理論基礎(chǔ)的簡單性�！�
在愛因斯坦看來，是廣義相對論內(nèi)在的簡單性保證了它的“正確”性。1919年的證實(shí)確實(shí)給愛因斯坦帶來了榮譽(yù)，但那是科學(xué)之外的事情；1919年的證實(shí)或許還讓更多的人“相信”廣義相對論是“正確”的，但這種證實(shí)很大程度上只是起到了“說服”的作用。從科學(xué)史上來看，精密的數(shù)理科學(xué)的進(jìn)步模式確實(shí)有著這樣的規(guī)律和特點(diǎn)：它們往往是運(yùn)用了當(dāng)時(shí)已有的最高深的數(shù)學(xué)知識(shí)而構(gòu)建起來的一些精致的理論模型，它們的“正確”性很大程度上由它們內(nèi)在的簡單性和統(tǒng)一性所保證。雖然它們必然會(huì)給出可供檢驗(yàn)的預(yù)言，譬如哥白尼日心說預(yù)言了恒星周年視差，愛因斯坦廣義相對論預(yù)言了光線彎曲，霍金的黑洞理論預(yù)言了霍金輻射，但不必等到這些預(yù)言被證實(shí)，那些理論就應(yīng)該并可以被當(dāng)做科學(xué)理論。
那么“預(yù)言的證實(shí)”除了給愛因斯坦帶來科學(xué)之外的榮譽(yù)外，還有沒有別的意義呢？筆者以為，通過觀測來證實(shí)某一理論，對于該理論被科學(xué)共同體接受有至關(guān)重要的作用。在理論提出者譬如愛因斯坦來說，他自信理論的正確性有內(nèi)在的保證。而對于更多的其他人，他們并沒有能力在深刻理解理論的基礎(chǔ)上來判斷該理論的正確性，所以只能采取“預(yù)言－證實(shí)”這樣一種在其他場合也能行之有效的模式來判斷理論的正確性。這“更多的其他人”包括了從較為專業(yè)的研究人員到一般大眾的復(fù)雜人群構(gòu)成。在理論提出者和“更多其他人”眼里，理論“正確”的標(biāo)準(zhǔn)也顯然是不一致的。愛因斯坦在1914年就確信他的理論是正確的；從報(bào)紙等媒體上獲悉科學(xué)信息的一般大眾則在1919年相信了愛因斯坦是正確的；而在更為專業(yè)的研究人員那里，還要經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的反復(fù)檢驗(yàn)，才敢說廣義相對論在當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平上是正確的。
【廣義相對論是怎樣被證明的】相關(guān)文章：
相對論教案05-14
相對論作文03-27
怎樣證明自己不是騙子07-12
入學(xué)證明怎樣寫07-23
怎樣寫證明材料06-24
教你怎樣寫證明材料06-24
離職證明模板是怎樣寫的12-22
狹義相對論課件12-06
自由相對論優(yōu)秀作文01-27