日全食证明相对论

随着美国俄勒冈州西部的晨间天色暗下来,业余天文学家贝里的3只羊驼退回到圈中。正在变暗的日光和聚集在贝里农场里的外乡人(他们拿着卡板式太阳镜和四翼无人机)吓退了羊驼。与此同时,月球和太阳在这些人上方表演难得一见的天宇芭蕾。

爱因斯坦提出方法测试相对论不容易

2017年8月21日,日全食99年来第一次光顾美国大陆两端的海岸地带。美国著名科普杂志《天文》前主编贝里及一队来自波特兰社区大学的学生当天不只是欣赏日全食,而且事先准备好了望远镜和相机等装备,以重复有史以来最著名的日食实验——1919年对爱因斯坦广义相对论的首次成功测试。在这次美国大日食之前差不多100年,两个天文学团队曾分别前往遥远海岸观测一次意义重大的日食。之所以说这次日食意义重大,是因为它将向世人证明牛顿有关引力的系列理论并非完全正确。

爱因斯坦1915年首次发表广义相对论。该理论的一个核心点是:像太阳这样的大质量天体会扭曲自己周围的时空结构。这其实就是爱因斯坦对引力的解释。牛顿的引力理论是:引力是所有物质都会施加的一种吸引力。爱因斯坦引力理论显然与牛顿引力理论大相径庭。根据爱因斯坦的说法,在大质量天体附近穿行的任何光都与时空一起被扭曲。20世纪初,爱因斯坦提出了一种方法来证明自己看似荒谬的这一理论其实并不荒谬,而这种方法就是利用日全食。

2017年北美大日食。2017年日全食观测团队部分成员。

怎么利用呢?爱因斯坦如此描述:标记日全食期间太阳周围的每颗恒星位置,并且标记非日食期间(即太阳的直接光线被月球全部遮挡、从而让背景中的恒星能够被看见的时段)这些恒星的位置。如果他的广义相对论正确,那么这些恒星的位置就会有轻微改变。这种改变并非肉眼可见,但能通过精细测量观测到。1919年5月29日,英國天文学家艾丁顿和戴森组织的远征队分别抵达非洲西海岸的普林西比岛和巴西的索布拉尔,以验证广义相对论是否正确。他们发表验证结论后。人们对世界的认识被刷新。

2017年,波特兰社区大学物理学教授迪特里奇组织了包括贝里团队在内的12个团队观测日全食。迪特里奇派出了自己的两名学生前往巴里农场和一座俄勒冈山头,看他们能否至少重复艾丁顿和戴森的实验,甚至做得更好。

无论是1919年还是2017年,通过观测日全食来验证广义相对论都面临技术挑战和天气突变。事实上,能够观测到日全食的窗口时间通常很短,也就是说日全食持续时间很短。在1919年,这一窗口时间长度超过5分钟,这对当时的天文学界来说堪称“奢侈”。而在2017年,对美国观测者来说日全食只持续大约两分钟。云团经过,或者有风,都会破坏在这个宝贵时段的观测。例如,云层破坏了1918年美国日全食期间的一次相对论测试。在2017年日全食期间驻守美国怀俄明州、与迪特里奇一起组织相对论测试的业余天文学家布朗斯说,从1936年到1954年有4次复制艾丁顿一戴森实验的尝试以失败告终。他说,他们2017年组织利用日全食测试相对论的行动,部分目的就是要告慰那些在这方面出师未捷身先死的天文学家。

百年前这方面尝试 竟然取得惊人成功

先回到1919年。艾丁顿和戴森的专业学识让他们尤其适合追踪日全食的使命。戴森是英国皇家天文学家,也是格林尼治(英国伦敦东南一市镇;通过格林尼治天文台的经线被定为本初子午线)天文台的负责人。艾丁顿是英国剑桥天文台的负责人。在说明太阳能够以现有方式继续存在、而不是在自身重量下坍缩(原因是太阳光会施加一种外推力)的理论领域,艾丁顿颇有建树,这也让他大名鼎鼎。

由艾丁顿和另一位英国天文学家科丁翰领导的观测队,驻守在普林西比岛西北部一家可可种植园。他们采用的大多数观测装备都是从英国牛津天文台借来的,原因是艾丁顿自己主导的剑桥天文台在观测日食方面并不专业。在这场远征中艾丁顿很可能亲自完成了所有数据分析。尽管这场远征的文字记录如今已不复存在,甚至就连原有的摄影底片也随时间消失,科学历史学家却仍然相信数据分析的完成者是艾丁顿本人。戴森当时告诉科丁翰,如果艾丁顿观测到了为爱因斯坦预测值两倍的恒星位置偏差量(对这个奇怪结果,不管是爱因斯坦还是牛顿的理论框架都预计不到),那么“艾丁顿会(高兴得)发疯,而你(科丁翰)只能一个人回来”。

艾丁顿(左)和戴森(右)。

与此同时,戴森实际上并未亲自前往巴西索布拉尔观测日全食,而是派出他的下属戴维森和克罗姆林携带格林尼治天文台的部分装备前往观测。他俩回来后,戴森主导了对这支远征队所获探测数据的分析工作,并且与艾丁顿合作撰写最终报告。

这两支远征队都必须带回在玻璃镜片上编码的两类重要数据。其中至少一张镜片在日全食期间拍摄,另一张在夜间对着同样的恒星拍摄(背景中不能有太阳和月球)。就算拍摄工作完成得再好,分析镜片的人也会面临一大挑战:这些恒星在镜片上就像一个个小圆圈,而恒星位置在日全食期间和非日食期间的改变量还不如这些小圆圈大,因此必须进行非常精细也非常困难的测量。幸运的是,戴森正是靠这类观测谋生的。他的日常工作包括仔细测量恒星位置和检查位置的微小改变。为此,他采用了一种叫作测微螺旋的小型装置,它从镜片上一个点移动到下一个点,由此测量天体之间的距离。

这两支观测队在1919年日全食那天很幸运,因为当时太阳附近有一个非常明亮的星团——毕星团。艾丁顿称这是“迄今为止遇到的最佳星场”。毕星团中群星的亮度意味着这些恒星比亮度暗些的恒星容易看见,因为后者可能被太阳外层大气(即日冕)的光芒遮盖。日冕是超热等离子体,只有在日全食期间裸眼才能看见日冕,这时日冕呈现为被挡住的太阳周围的一圈光晕。

科学巨擘爱因斯坦(1921年)。

1919年的两支日全食观测队都取得成功,他们的探测结果都很接近爱因斯坦理论预测的位置偏差量。但这一成功存有争议。例如,索布拉尔远征队的一部望远镜生成的镜片图样令人生疑,因为镜片上的恒星看起来更像是污点,而不像是圆圈。此外,一些历史学家推测,艾丁顿-戴森团队可能很急于证明爱因斯坦理论的正确性,因此他们当初可能丢弃了不符合理论预测值的数据,而这种做法显然不合适。

但历史学家们普遍相信,戴森不可能篡改探测结果。虽然艾丁顿在1919年日全食观测之前就公开支持爱因斯坦预测值,但他没有插手索布拉尔镜片处置,因此他也不可能篡改探测结果。历史学家们都认同一点:在科学或生活中很难做到完全中立。因此历史学界认为,不应该因为艾丁顿公布了自己的偏好而否定他的研究结论,否则就是强迫科学家压制自己的观点。

至于爱因斯坦本人,他看来并不很在乎自己在当时被认为很前卫的广义相对论最终将接受测试。一些历史学家认为,爱因斯坦对自己的理论信心十足,因此他笑看1919年远征队不畏艰难测试他的理论——他根本不相信远征队最终会发现能驳倒他的证据。有科学家当时对爱因斯坦说:“我不能相信你真的能平静对待(远征队对广义相对论的测试)。”爱因斯坦回答:“好的。我知道了。”

事实上,虽然爱因斯坦不缺乏自信,但他希望远征队完成探测。早在1911年初,他就写信给其他天文学家,问他们是否愿意做这类日食实验(以帮助验证他尚未公开发表的广义相对论),而且他还为实验筹集资金。1914年。他曾资助德国天文学家弗伦德利希远征克里米亚半岛观测日食(艾丁顿进行的正是这种测试),但这趟征途遭遇不幸:当弗伦德利希过境俄罗斯时,奥地利皇储斐迪南大公被谋杀,弗伦德利希被沙皇抓捕,观测设备被没收。

1919年9月,爱因斯坦收到电报说艾丁顿-戴森实验证实了他的预测。当时与爱因斯坦在一起的女物理学家和哲学家伊尔丝记述说,爱因斯坦当时看起来愉快但并非狂喜,这让她很惊讶。于是她问爱因斯坦:“万一他们说他们发现你的理论不符合他们的观测,你会失望吗?”爱因斯坦笑着说:“那我会为他们感到遗憾,因为我的理论没错。”

1919年11月6日,艾丁顿-戴森实验结果被正式递交给在伦敦举行的英国皇家学会会议,这让爱因斯坦在全球知名。更重要的是,这意味着牛顿理论首次被挑战。当然,这无损大物理学家牛顿的英名。

1922年,又一次日食出现。美国加州里克天文台抓住时机进行测试,其结果很接近艾丁顿和戴森的数据。到了这时候,爱因斯坦已经举世闻名,成了不折不扣的科学巨匠。戴森也尝试重复这种实验,但他后来的努力被爱因斯坦等人的光辉掩盖。

新测试结果更精确 但科学家并不满足

自1973年以来,没有科学家专门去复制艾丁顿-戴森实验,原因是日食对于测量爱因斯坦所预测的太阳光偏转来说并不再是唯一和最佳手段。例如,到了20世纪70年代,射电望远镜已经让科学家能在白天、无日食帮助的情况下观测太阳对类星体(超明亮星系核。每个类星体都由被巨大能量发射盘环绕的一个超大黑洞组成)发光的扭曲效应。

这幅图像显示了2017年日全食期间太阳色球层(位于日冕下面)的闪光光谱。其中色球层氢原子在一个特定波长下产生红光(右侧),钙原子则产生紫光(左侧)。

参与迪特里奇2017年所组织日全食观测行动、以重复20世纪初日全食测试相对论实验的12个业余团队,通过行动认识到实验失败的可能方式其实有许多种。在其中10个实验地点,参与者都遇到了装备问题(例如供电故障和过度曝光)或大气湍流。因而实验者未能获得可用数据。有一个团队在关键时刻意外碰翻了望远镜的三脚架。这些挫败凸显了1919年两个远征队在日全食期间寻觅有用的恒星时是多么幸运,也是多么仔细。

在这幅由23幅图像合成的图像中,用黄圈标记出了日全食期间太阳周围的恒星。图中月面可見,是因为由地球反射的阳光照射到月面后又被月面反射。图中大圈是在不同曝光时间捕捉到的日冕。

在两个取得成功的团队中,有一个正是由贝里和波特兰社区大学学生组成的。另一个就是由布朗斯领导的怀俄明团队。布朗斯为这次观测准备了超过1年时间,为日全食期间的关键几分钟反复演练。迪特里奇评价说,布朗斯团队的观测行动“成绩斐然”。

艾丁顿的普林西比远征队探测结果是太阳所致光偏转为1.6弧秒(距离单位),戴森的索布拉尔远征队探测结果是1.98弧秒(不确定边际约为30%)。2017年布朗斯(他是一位退休的光学物理学家)所拍摄图像的转译数据精确吻合爱因斯坦预测值——1.7512弧秒,不确定边际(与大气湍流有关)只有3%。由于这项成绩,布朗斯赢得美国天文学学会奖励,他的探测结果发表于《经典与量子引力》杂志上。

贝里、布朗斯和迪特里奇已经把目光转向2024年。到时候,从美国得克萨斯州一直到缅因州都能观测到日全食。迪特里奇说,他的团队希望更大规模重复艾丁顿-戴森实验,如果届时没有大气干扰,他们就有可能取得比布朗斯团队2017年探测数据更准确的数据。

回首艾丁顿-戴森实验,贝里依然对这些100多年前科学团队的探测意义感到敬畏。他说:“这(指通过日全食验证相对论)是必须进行的实验,它带来了巨大变革;只需追踪相对论和量子力学及其衍生物的进展,你就会发现当代世界完全取决于这些事物的发生。”

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午11:28。
转载请注明:日全食证明相对论 | 三分钟阅读-杂志精选

相关文章