1919年5月29日，世界历史从此被改写。数百年以来，艾萨克·牛顿的万有引力定律——宇宙万物的吸引力法则——在学界占据着无可撼动的地位，因为在那个年代，几乎所有的天文观测结果，都和牛顿的预言完美相符。但是在19世纪中期，随着水星的环绕轨道也被天文学家观测出，牛顿的预言却和这一结果产生了偏差。于是，众多科学家努力地去解释误差产生的原因。

牛顿&爱因斯坦

或许，是时候要学者们修改一下牛顿的引力定律了。狭义相对论诞生时，最有说服力的证据便出现了，由它人们推断出这世上并没有“绝对距离”这回事。牛顿的理论预言了一个瞬时力的存在，这又一次违反了相对论。1915年，爱因斯坦提出了一个新的替代引力理论：广义相对论。用它来推翻牛顿的理论，等一次日全食就可以了。百年后，爱因斯坦的理论被证明是正确的。接下来，我将给大家解释这段传奇。

像日全食这般的天文现象可以为验证爱因斯坦的理论提供独一无二的机会，因为其他遥远的天体的光路在经过太阳附近时会发生偏折，但是仍然能为地球上的观日者所见，因为当太阳被月球完全遮挡的时候，天空也随之变暗。这一方法在1919年5月29日得到了应用，目的是为了第一次证明爱因斯坦的广义相对论。

日食示意图

在本世纪，爱因斯坦的广义相对论是人类历史上当之无愧的最成功的的理论。从GPS信号的修正到引力红移，从引力透镜到黑洞的合并，甚至是脉冲星的计时和水星的环绕轨道。广义相对论的预言不曾让人们失望过。

当这项理论在1915年首次被完成时，爱因斯坦就试图用它来替代牛顿的引力学说。显然，虽然对于前任牛顿的成功，它可以予以重复；对于牛顿理论测不出的水星轨道，它也可以给出解释，但是这一全新的预言，必须经历最严苛的实验，毕竟这一预言与牛顿时代万有引力定律给出的预言有着天壤之别。而一次日全食，就是一次独一无二的、直截了当的机会。

广义相对论的扭曲示意图

被引入探究太阳系的恒星与行星的空间曲率，必须在所有的太空飞行器能观测到的结果中被考虑在内。广义相对论的影响，即使是那些极其细微的影响，在应用在太空探索、GPS卫星、探测经过太阳的光信号时也不能被马虎放过。（参考：美国航天局/加州理工大学喷气推进实验室，卡西尼号任务，NASA/JPL-CALTECH, FOR THE CASSINI MISSION）

在牛顿的引力理论中，有质量的物体会相互吸引；即使是没有质量的光，由于它存在能量，因此通过爱因斯坦的质能方程E = mc²（m = E/c²），你可以分配一部分有效质量给它；如果你让光量子在一个大质量（物体）附近通过，你就可以通过这份有效质量去预测星光弯曲了多少，而且你得到的是一个准确值。在太阳的边缘，这个数值低于1弧秒，也就是1°的3600分之一（0.01592°）。

但是在爱因斯坦的广义相对论里，时间和空间都因质量的出现而扭曲，然而在牛顿的理论中，只有一个在空间中移动的物体才受引力的作用。这意味着爱因斯坦的理论预言了牛顿理论“2”的额外因素，使得太阳附近光的偏角更接近2弧秒。（事实上应该比2更多，尤其是当光量子更接近假设中的质量时。）

牛顿和爱因斯坦的观点对比（图源NASA）

一份对引力透镜的说明揭示了背景星系——或者是任意一条光路——是如何被出现的中间质量扭曲的，但它同时展示了空间是如何被前景质量弯折和扭曲的。在爱因斯坦提出广义相对论之前，他就明白弯折必然会出现，尽管（在当时）许多论据仍然值得被质疑，直到（甚至是在这之后）1919年的那场日食证明了他的假说。牛顿和爱因斯坦关于弯折程度的假说有着天壤之别，这是因为在广义相对论中，时间和空间都为质量所影响。

于1687年提出的牛顿重力理论，是一条非凡的普世法则：将两个有质量的物体置于宇宙的任意一个角落，只要给定二者的距离，我们马上就可以知晓它们之间的万有引力。下至地面上的铁球，上至天上的星宇，它们的运动统统可用这套理论来解释。在此后的200年，它经历了数场类似的验证，无一失手。但是，在一次令人困扰的观测中，现实恐怕和牛顿理论完全脱节：那就是观测太阳系最内层行星的运动细节。

在测出了天王星的轨道异常、发现了海王星之后，法国天文学家勒威耶集中精力去解决水星轨道异常的问题。他提出了假说，预言了内部行星祝融星（也作火神星）的存在，并试图以它作为解释。尽管祝融星事实上并不存在，但是正是勒威耶为论证它所作出的大量计算工作为爱因斯坦指明了最终的答案：广义相对论。（维基共享资源，用户REYK）

每个行星的绕行轨道都大致呈椭圆形。然而这一椭圆形轨道并非完全静态，这些行星并不是每次公转后都回到宇宙中的同一个位点，实际上，它们也在做旋进运动。如果在宇宙空间中观察，旋进运动使得椭圆轨道也跟着旋转，尽管非常缓慢。由于水星在16世纪末被第谷以惊人的精确度观测到，所以在此后300多年我们掌握着（在那时）十分精确的数据，解决问题的手段也变得先进。

旋进示意图

根据牛顿的理论，由于地球昼夜平分点的旋进和其余行星对水星的引力作用，水星的轨道应该每百年旋进5,557秒。但是在观测结果中，我们发现这一数值应当是每百年5,600秒。这一每百年43秒的差别（或者就换算成每年0.00012度），在牛顿的经典力学理论框架中无以解释。时人认为，要么是水星轨道内侧还有一颗行星（在观测中被排除掉了），要么，就是我们既有的引力理论出了问题。

在解释水星的轨道时，根据两种不同的引力理论，当其它行星的作用、地球自身的运动被排除后，牛顿的假说倾向于一个闭合的椭圆，而爱因斯坦的假说倾向于一个旋进的椭圆。（维基共享资源，用户KSMRQ）

但是爱因斯坦的理论看起来能解释这一误差。他花费多年建立起广义相对论的框架，在那里引力不是由于质量之间的相互吸引产生的，而是由于物质和能量在空间结构中沿曲线运动，随后物体从其中穿过所形成的。当引力场较弱时，与爱因斯坦理论的结果相比较，牛顿的法则是一个更好的估计。

然而，当接近于大质量或者高速时，爱因斯坦的假说与牛顿的不同，爱因斯坦的假说预言了每百年43秒的误差。但是推翻一个科学理论的门槛可没这么低。如果想要取代一个旧的理论，新的学说必须完成下列事项：

而对于爱因斯坦来说，最后一步就是——等待日食。

光的弯折示意图

在一场日全食中，恒星出现的位置与它们实际所在的位置并不同，这是因为太阳——这一巨大的中间质量——使光发生了弯曲。偏折的程度会被光波在空间中穿过区域的引力作用的强度决定。（E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY）

当星星在夜空中闪耀，从若干光年以外进入我们眼帘的星光来自于宇宙的不同位置。如果牛顿是正确的，也就是说光要么通过一条笔直的直线到达地球，不被它所经过的任何质量偏折（如果光没有质量），要么它会由于质能等效性被引力作用，从而发生弯曲。（毕竟如果考虑 E = mc²，你或许也可以假设光存在有效质量m = E/c²）

然而爱因斯坦的理论，特别是当光超近距离穿过一大块质量时，提供了一个与这两种情况都不相同的假说。2的额外因素（或者说2的额外兆分之一）是爱因斯坦学说中一个独到的、精准的预言，而且是一年中可以有两次观测机会加以证明的预言。

光的弯折示意图

虽然有些人会质疑，牛顿的引力已经预言了无偏折和可用牛顿力学定律和质能方程E=mc²解释的偏折，但是最完整可靠的爱因斯坦的预言却和牛顿的两者都不相同。（美国航天局/宇宙时代/戈达德太空飞行中心，Jim Lochner & Barbara Mattson）

我们已知和地球接近的最大的物质就是太阳，太阳光使得星光通常不能在白天被肉眼所见。当星光穿过太阳的边沿时，参考爱因斯坦的说法，它会沿着弯曲的空间穿行，使得光路看起来像是弯折的。然而，在日全食过程中，月亮挡在太阳的前面，遮住了绝大部分的太阳光线，使得白天像晚上一样黑暗，这也就创造了白天观察星星的绝佳机会。

如果你先前测量过天空中星球的位置，并达到了足够精确的精度，你就能知道这些星球是不是移动过——顺便还能知道它们移动了多少——由于那个巨大的、邻近的质量的出现。如果你可以以高于弧秒的精度探测到一个偏折过的位置，你就可以深深地了解到底是牛顿，还是爱因斯坦，亦或两人都没有，得出正确的结论。

1900年的日食

有一张星空的相片底片被确认是在1900年的一场日食中拍摄的（上图）。值得关注的是，虽然日冕和恒星都可以被识别，星体的精确位置不足以用来检测广义相对论的正确性。（谢伯特太空及科学馆）

1902年的日食

许多拍摄于日全食的太阳的底片已经揭示了先前的日冕层的具体细节，同时也给出了白天恒星出现和存在的位置。然而，没有一张像这样先前存在的照片达到了用来测试的质量，精确度也达不到要求；星光的偏折是一种非常难以区分的现象，以至于需要非常精确的测量手段去探测！

在爱因斯坦完成广义相对论的1915年后，曾经有一些机会来检测这一理论：1916年，一战干扰了检测；1918年，观测的尝试因被云层遮挡而告终；一直到1919年，第一次测试才顺利告捷。天文学家亚瑟·爱丁顿组织了一支科考队，它们分成了两小队，一个前往巴西，一个前往非洲，以期拍摄、测量这些星体的位置。值得一提的是，这一次日全食是20世纪最长的一次日全食，延续了几乎7分钟。

在1919年爱丁顿科考队收集的照片中，不论是正片还是负片，都展示了（尽管有一些干扰的线）被识别为可用作测量太阳对光的偏折的星星的位置。这是人类历史上第一次对广义相对论做出的直接的，基于实验性的证明。（爱丁顿等，1919）

这些观测结果的影响是压倒性的、极其深远的：爱因斯坦的学说完全正确，而牛顿的假说在太阳对星光的偏折这一事实面前被彻底推翻。虽然证明过程中的使用的数据和分析富有争议，许多人借此谴责爱丁顿（甚至现在依然有人这么做）是“把书煮了”才得到这么个证明了爱因斯坦预言的结果，随后的日食观测却依然证实了广义相对论就是可以用来解决牛顿引力之外的未解之谜。

爱因斯坦和爱丁顿

值得一提的是，经过对爱丁顿工作谨慎的重新分析，结果显示，它的确可以用来证明广义相对论的正确性。全世界报刊业的写手都开始宣传这一巨大的成功，甚至百年以后的本世纪，一些世界顶级的科学作家仍然在出版关于这一伟大成就的文学作品。

有趣的是，当时纽约时报、伦敦新闻画报，头条的质量和深度竟然有巨大的差别，分别展示了两国记者对这一难以置信的科学突破的兴奋与不懈。不管怎样，光在接近质量的时候会发生弯折，弯折的程度确实被证明符合爱因斯坦的假说。（纽约时报，1919年11月10日(L)；伦敦新闻画报，1919年11月22日(R)）

在事件的一百年纪念日时。正是这一次科考确立了爱因斯坦的广义相对论在解释引力的原理方面的领先地位，使之成为了人类的领先学说。牛顿的经典力学仍然非常有用，但是仅仅在有限的条件下成立，使之作为对爱因斯坦学说的逼近。

晚年的爱因斯坦

与此同时，广义相对论已经继续成功预言了诸如惯性系拖曳效应、引力波等的存在，也可能遭遇与它的预言相悖的天文观测。这标志着百年的逝去，纪念着那个推断出广义相对论成立的日子，甚至包含着一些未来甚至连广义相对论也可能被推翻的意味。虽然，我们肯定不可能了解宇宙的全部奥秘，就像我们不了解量子学说下的引力究竟是怎么回事，这却是用来纪念所有我们的已知的日子。严苛的证明已经过去了百年，我们最好的引力理论仍然不会停下发展的脚步。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

translate: Cherish

author: Ethan Siegel

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