广义相对论是如何被证明的.pdf

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1、广义相对论是如何被证明的中华读书报作者：钮卫星光线在通过大质量物体附近时会发生弯曲，这是广义相对论的一个重要预言。但对这一预言的验证常被戏剧化地、简单化和夸张地再现给观众和读者，大大偏离了科学史史实。那么，真实的情形如何呢？在一部艺术地再现爱因斯坦一生的法国电影《爱因斯坦》(央视八套“世界名著·名片欣赏”栏目引进播放，2002年11月17日23点30分上半集，24日23点30分下半集)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!光线在通过大质量物体附近时会发生弯曲，这是广义相对论的一个重

2、要预言。但对这一预言的验证常被戏剧化、简单化和夸张地再现给观众和读者，大大偏离了科学史史实。笔者觉得围绕光线弯曲的预言与验证，有以下三个方面的史实需要澄清。首先，光线弯曲不是广义相对论独有的预言。早在1801年索德纳(JohannvonSoldner，1766-1833)就根据牛顿力学，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0.87角秒的偏折。1911年在布拉格大学当教授的爱因斯坦根据相对论算出日食时太阳边缘的星光将会偏折0.87角秒。1912年回到苏黎士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。

3、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。只有观测值在容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(Brans-DickeTheory)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

4、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，然后最好等半年之后对同一天区再拍摄若干底片。通过对相隔半年的两组底片进行测算，才能确定星光被偏折的程度。这里还需要指出，即使是在日全食时，在紧贴太阳边缘处也是不可能看到恒星的。以1973年的一次观测为例，被拍摄到的恒星大多集中在离开太阳中心5到9个太阳半径的距离处，所以太阳边缘处的星光偏折必定是根据归算出来的曲线而外推获得的量。靠近太阳最近的一、二颗恒星往往非常强烈地影响最后的结果。作了

5、上述澄清之后，再来看本文开头所述的电影《爱因斯坦》中的艺术表达手法，过分得有点在愚弄观众的味道了；而一些科学类读物中的说法，譬如“爱丁顿率领着考察团，去南非看日食，真的看见了”这样的描述也过于粗略，容易产生误导。那么，对光线弯曲预言的验证的真实历史是怎样的呢？爱丁顿对检验广义相对论关于光线弯曲的预言十分感兴趣。为了在1919年5月29日发生日全食时进行检验光线弯曲的观测，英国人组织了两个观测远征队。一队到巴西北部的索布拉尔(Sobral)，另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛(Principe)，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、两支观测队的结果被归算出来：索布拉尔观测队的结果是1.98″±0.12″；普林西比队的结果是1.61″±0.30″。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。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后来受到人们的怀疑。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。爱丁顿他们显然也认识到了温度变化对仪器精度的影响，他们在报告中说，小于10

7、°F的温差是可以忽略的。但是索布拉尔夜晚温度为75°F，白天温度为97°F，昼夜温差达22°F。后来研究人员考虑了温度变化带来的影响，重新测算了索布拉尔的底片，最大的光线偏折量可达2.16″±0.14″。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所拍摄的底片质量却较差，另一架4英寸的望远镜拍摄了7张成像质量较好的底片。