正文

七、通向廣義相對(duì)論之路(4)

一路投奔奇跡:-愛(ài)因斯坦的生命和他的宇宙 作者:克拉普萊斯


愛(ài)因斯坦花了很大力氣尋找一種簡(jiǎn)潔而優(yōu)美的解決辦法。他堅(jiān)信宇宙是靜態(tài)的,因此除了時(shí)間變化,其他一切都是不變的。這一假設(shè)至少現(xiàn)在還是正常的,直至目前還沒(méi)有找到證實(shí)宇宙非靜態(tài)的實(shí)驗(yàn)性證據(jù)。但是當(dāng)研究進(jìn)行到這一步,愛(ài)因斯坦遇上了麻煩,無(wú)論他付出多大的努力,該項(xiàng)研究始終沒(méi)有明顯進(jìn)展。一直到1917年,他終于找到了解決之道。從先前得出的關(guān)于能量與質(zhì)量相互轉(zhuǎn)換的方程式中,他發(fā)現(xiàn)可以在其中添加一個(gè)新的項(xiàng),即現(xiàn)在眾所周知的宇宙常數(shù)。他把這個(gè)新進(jìn)展總結(jié)在題為《廣義相對(duì)論的宇宙學(xué)應(yīng)用》的一篇論文中。在文中他提出如果沒(méi)有宇宙常數(shù),宇宙是靜態(tài)的這個(gè)假設(shè)就不成立,引力會(huì)導(dǎo)致宇宙走向崩潰。宇宙常數(shù)抵消了引力,就像牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)中的反作用力似的。此后的幾十年里,天體物理學(xué)家一直錯(cuò)誤地認(rèn)為宇宙常數(shù)必須等于零,愛(ài)因斯坦自己也認(rèn)為宇宙常數(shù)是他“一生最大的錯(cuò)誤”。然而,現(xiàn)在對(duì)宇宙最合理的描述中可以得知,我們所處的宇宙中,愛(ài)因斯坦的宇宙常數(shù)并非為零。也許愛(ài)因斯坦一生最大的錯(cuò)誤不在于創(chuàng)造宇宙常數(shù),而在于后來(lái)居然否定了宇宙常數(shù),認(rèn)為其為“一生最大錯(cuò)誤”的錯(cuò)誤!

愛(ài)因斯坦發(fā)表1917年的論文后不久,偉大的荷蘭天文學(xué)家威廉·德西特找出了愛(ài)因斯坦方程的另外一種解法。這事可非同尋常,因?yàn)椴坏沟挛魈乇救说挠钪嬲J(rèn)識(shí)得以改進(jìn),而且德西特還把這一結(jié)果告知英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)也是世界上頂尖科學(xué)們常常聚會(huì)的地方,正是通過(guò)德西特的信,英國(guó)為首的英語(yǔ)國(guó)家才開(kāi)始對(duì)廣義相對(duì)論漸漸了解。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的秘書(shū)亞瑟·愛(ài)丁頓是一個(gè)很有才華的天文學(xué)家、理論物理學(xué)家和天文觀測(cè)專(zhuān)家,他后來(lái)成為廣義相對(duì)論在英國(guó)最得力的支持和宣傳者。他知道廣義相對(duì)論最終必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,他認(rèn)為最好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證莫過(guò)于觀測(cè)星光在通過(guò)大質(zhì)量天體時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生偏斜現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦和弗里德里希也幾乎在愛(ài)丁頓同時(shí)各自形成類(lèi)似的想法。當(dāng)時(shí),許多實(shí)驗(yàn)學(xué)家們已開(kāi)始著手試圖測(cè)定引力作用下的紅移現(xiàn)象,不過(guò)這些嘗試卻因技術(shù)上的難度或結(jié)果經(jīng)不起推敲而大都陷入困境。而對(duì)于愛(ài)丁頓的驗(yàn)證方法技術(shù)上簡(jiǎn)單得多,只需要觀測(cè)一個(gè)遙遠(yuǎn)的星體的光線通過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)光線運(yùn)行路線有無(wú)偏斜即可。關(guān)鍵在于必須先把太陽(yáng)擋住,使星光不至于淹沒(méi)在明亮的陽(yáng)光中。這就意味著日全食的時(shí)候?qū)⑹沁M(jìn)行愛(ài)丁頓設(shè)想的觀測(cè)的最佳時(shí)機(jī)。1919年5月29日在西非就有這樣一個(gè)絕好的機(jī)會(huì),而且恰巧太陽(yáng)正處于畢宿星團(tuán)中,是離地球最近的星團(tuán),而且星團(tuán)中有好幾顆明亮的星星,在日食時(shí)都可以成為觀測(cè)對(duì)象。

愛(ài)因斯坦已知道這次天文觀測(cè)的重要性,此前弗里德里希于1914年在克里米亞半島曾試圖在那里的日食中拍下一些照片,但因?yàn)榈谝淮问澜绱髴?zhàn)的爆發(fā)而歸于失敗。弗里德里希的觀測(cè)隊(duì)被敵對(duì)的俄國(guó)軍隊(duì)當(dāng)作德軍間諜被關(guān)押起來(lái)。一年以后,即1915年12月,愛(ài)因斯坦與同事奧托·諾曼關(guān)于廣義相對(duì)論的通信中寫(xiě)道:“這個(gè)結(jié)果(光線的偏斜)是所有現(xiàn)象中最有趣最令人驚奇的?!睅讉€(gè)星期之內(nèi),愛(ài)因斯坦給施瓦西說(shuō):“(觀測(cè))光線偏斜的問(wèn)題現(xiàn)在具有最高的重要性。”

對(duì)1919年日食的觀測(cè)遠(yuǎn)比1914年在克里米亞半島的那次更加成果斐然。英國(guó)皇家格林威治天文臺(tái),即本初子午線通過(guò)的地方,向最佳觀測(cè)點(diǎn)巴西東北部的索布拉派去專(zhuān)家組,專(zhuān)門(mén)觀測(cè)這次日食。格林威治觀測(cè)隊(duì)隨隊(duì)攜帶天文臺(tái)的13英寸的大望遠(yuǎn)鏡,同時(shí)還從皇家愛(ài)爾蘭科學(xué)院借用了一臺(tái)4英寸的望遠(yuǎn)鏡以作備用。愛(ài)丁頓則帶領(lǐng)另一隊(duì)人馬奔赴西非小島普林西比,攜帶從牛津天文臺(tái)借來(lái)的望遠(yuǎn)鏡。在日食期間,觀測(cè)隊(duì)拍了很多的日食照片,然后兩隊(duì)都必須在原地等到畢宿星團(tuán)在當(dāng)天夜空中可見(jiàn)為止,他們可以比較夜空中的畢宿星團(tuán)與日食時(shí)的照片,看星團(tuán)中星體的位置是否有明顯的不同。

9月12日,一個(gè)名為“英國(guó)科學(xué)進(jìn)步協(xié)會(huì)”的組織召開(kāi)了一次會(huì)議,來(lái)自全世界各地的參加者眾多。亞瑟·愛(ài)丁頓成為該會(huì)的關(guān)注的焦點(diǎn),他在會(huì)上宣布他西非日食觀測(cè)之行的結(jié)果:光線的偏斜大約在0.83弧秒與1.7弧秒之間,與愛(ài)因斯坦在1911和1915年的預(yù)測(cè)相符合。后來(lái),英國(guó)皇家學(xué)會(huì)與皇家天文學(xué)會(huì)共同召開(kāi)正式會(huì)議,到巴西的觀測(cè)隊(duì)也公布了觀測(cè)結(jié)果,他們用格林威治天文臺(tái)13英寸的望遠(yuǎn)鏡測(cè)定的光線偏斜大約在1.52弧秒,而用愛(ài)爾蘭天文臺(tái)的4英寸望遠(yuǎn)鏡測(cè)得1.98弧秒的偏斜。因?yàn)楦窳滞翁煳呐_(tái)的望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)時(shí)曾發(fā)生一些問(wèn)題,因此愛(ài)爾蘭天文臺(tái)那架望遠(yuǎn)鏡所測(cè)的1.98弧秒更真實(shí)精確些。到普林西比的觀測(cè)隊(duì)在另外一篇報(bào)告中報(bào)告了1.6弧秒的偏斜,這一結(jié)果也屬于可以接受的范圍。這些觀測(cè)結(jié)果不僅是愛(ài)因斯坦的勝利,也是英國(guó)天文學(xué)界的榮光,但是愛(ài)因斯坦對(duì)此的反應(yīng)相當(dāng)平靜。這里也有個(gè)趣事,有人告知愛(ài)因斯坦,他在廣義相對(duì)論中的預(yù)言被證實(shí),他回答說(shuō):“我知道這個(gè)理論肯定是正確的,難道你對(duì)此有懷疑嗎?”他也被問(wèn)及如果天文臺(tái)觀測(cè)結(jié)果與他理論預(yù)言不符他將會(huì)怎么做時(shí),他回答說(shuō):“可能會(huì)為我們親愛(ài)的上帝感到遺憾,但是理論還是一如既往地正確?!钡故躯溈怂埂て绽士藢?duì)此結(jié)果的期待看起來(lái)比愛(ài)因斯坦還要緊張。愛(ài)因斯坦得知普朗克為此夙夜未眠焦急等待公布結(jié)果的新聞,他做了個(gè)鬼臉,開(kāi)玩笑地說(shuō),如果普朗克“真的理解廣義相對(duì)論,他應(yīng)該跟我一樣放心上床睡個(gè)好覺(jué)”。

愛(ài)丁頓和愛(ài)因斯坦不久開(kāi)始寫(xiě)介紹廣義相對(duì)論的書(shū)。愛(ài)丁頓的《空間、時(shí)間和引力》出版于1920年,三年后又出版了《相對(duì)論的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)。愛(ài)因斯坦則寫(xiě)了《相對(duì)論的意義》,其英譯本于1922年出版。這三本書(shū)成為國(guó)際圖書(shū)銷(xiāo)售的暢銷(xiāo)書(shū),愛(ài)因斯坦1922年的書(shū)現(xiàn)在還在不斷再版。愛(ài)因斯坦逝世前不久重新審定了《相對(duì)論的意義》第5版,當(dāng)?shù)氐膱?bào)紙對(duì)此作了報(bào)道,并重提普朗克的不眠之夜,冠以大標(biāo)題《新理論讓人們夙夜未眠》。

多年以后,普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家鮑伯·迪克對(duì)日食實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行質(zhì)疑。他考慮到,如果太陽(yáng)并非先前所認(rèn)為的正圓形,而是稍微有點(diǎn)扁,則可能要對(duì)先前的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。作為一名經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn)大師,迪克著手準(zhǔn)備一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)太陽(yáng)是否正圓,如果非正圓,那么其偏率對(duì)光線偏斜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有什么影響。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是沒(méi)有觀測(cè)到偏率,迪克的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)光線偏移測(cè)得的結(jié)果的準(zhǔn)確性,讓愛(ài)因斯坦的理論更加牢不可破。

今天,我們已有了光線在引力場(chǎng)下發(fā)生彎曲的更好的證明。天文學(xué)家已知道在宇宙空間中存在著“黑洞”、中子星和脈沖星,這些天體的引力遠(yuǎn)比太陽(yáng)要強(qiáng)大得多,太陽(yáng)與之相比實(shí)在微不足道。通過(guò)這些天體的光線,遠(yuǎn)非僅僅發(fā)生稍微偏斜、彎曲而已,其幅度要大得多,乃至于形成一個(gè)引力透鏡,對(duì)光的彎曲就像光通過(guò)透鏡時(shí)的偏斜度一樣大,直至將光線完全吞噬,形成了連光線都無(wú)法逃逸的黑洞。因此,可以設(shè)想,有一塊引力透鏡在我們與遙遠(yuǎn)的星系之間,由于光線偏斜得太厲害,甚至能看到星系的多重幻象。天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了很多這樣的例子,也更進(jìn)一步證實(shí)愛(ài)因斯坦的理論,有助于人們尋找宇宙中的黑洞。

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