劉曉輝

隨著美國(guó)俄勒岡州西部的晨間天色暗下來(lái)，業(yè)余天文學(xué)家貝里的3只羊駝退回到圈中。正在變暗的日光和聚集在貝里農(nóng)場(chǎng)里的外鄉(xiāng)人（他們拿著卡板式太陽(yáng)鏡和四翼無(wú)人機(jī)）嚇退了羊駝。與此同時(shí)，月球和太陽(yáng)在這些人上方表演難得一見(jiàn)的天宇芭蕾。

愛(ài)因斯坦提出方法測(cè)試相對(duì)論不容易

2017年8月21日，日全食99年來(lái)第一次光顧美國(guó)大陸兩端的海岸地帶。美國(guó)著名科普雜志《天文》前主編貝里及一隊(duì)來(lái)自波特蘭社區(qū)大學(xué)的學(xué)生當(dāng)天不只是欣賞日全食，而且事先準(zhǔn)備好了望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)等裝備，以重復(fù)有史以來(lái)最著名的日食實(shí)驗(yàn)——1919年對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的首次成功測(cè)試。在這次美國(guó)大日食之前差不多100年，兩個(gè)天文學(xué)團(tuán)隊(duì)曾分別前往遙遠(yuǎn)海岸觀測(cè)一次意義重大的日食。之所以說(shuō)這次日食意義重大，是因?yàn)樗鼘⑾蚴廊俗C明牛頓有關(guān)引力的系列理論并非完全正確。

愛(ài)因斯坦1915年首次發(fā)表廣義相對(duì)論。該理論的一個(gè)核心點(diǎn)是：像太陽(yáng)這樣的大質(zhì)量天體會(huì)扭曲自己周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)。這其實(shí)就是愛(ài)因斯坦對(duì)引力的解釋。牛頓的引力理論是：引力是所有物質(zhì)都會(huì)施加的一種吸引力。愛(ài)因斯坦引力理論顯然與牛頓引力理論大相徑庭。根據(jù)愛(ài)因斯坦的說(shuō)法，在大質(zhì)量天體附近穿行的任何光都與時(shí)空一起被扭曲。20世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦提出了一種方法來(lái)證明自己看似荒謬的這一理論其實(shí)并不荒謬，而這種方法就是利用日全食。

2017年北美大日食。

2017年日全食觀測(cè)團(tuán)隊(duì)部分成員。

怎么利用呢？愛(ài)因斯坦如此描述：標(biāo)記日全食期間太陽(yáng)周圍的每顆恒星位置，并且標(biāo)記非日食期間（即太陽(yáng)的直接光線被月球全部遮擋、從而讓背景中的恒星能夠被看見(jiàn)的時(shí)段）這些恒星的位置。如果他的廣義相對(duì)論正確，那么這些恒星的位置就會(huì)有輕微改變。這種改變并非肉眼可見(jiàn)，但能通過(guò)精細(xì)測(cè)量觀測(cè)到。1919年5月29日，英國(guó)天文學(xué)家艾丁頓和戴森組織的遠(yuǎn)征隊(duì)分別抵達(dá)非洲西海岸的普林西比島和巴西的索布拉爾，以驗(yàn)證廣義相對(duì)論是否正確。他們發(fā)表驗(yàn)證結(jié)論后。人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)被刷新。

2017年，波特蘭社區(qū)大學(xué)物理學(xué)教授迪特里奇組織了包括貝里團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的12個(gè)團(tuán)隊(duì)觀測(cè)日全食。迪特里奇派出了自己的兩名學(xué)生前往巴里農(nóng)場(chǎng)和一座俄勒岡山頭，看他們能否至少重復(fù)艾丁頓和戴森的實(shí)驗(yàn)，甚至做得更好。

無(wú)論是1919年還是2017年，通過(guò)觀測(cè)日全食來(lái)驗(yàn)證廣義相對(duì)論都面臨技術(shù)挑戰(zhàn)和天氣突變。事實(shí)上，能夠觀測(cè)到日全食的窗口時(shí)間通常很短，也就是說(shuō)日全食持續(xù)時(shí)間很短。在1919年，這一窗口時(shí)間長(zhǎng)度超過(guò)5分鐘，這對(duì)當(dāng)時(shí)的天文學(xué)界來(lái)說(shuō)堪稱“奢侈”。而在2017年，對(duì)美國(guó)觀測(cè)者來(lái)說(shuō)日全食只持續(xù)大約兩分鐘。云團(tuán)經(jīng)過(guò)，或者有風(fēng)，都會(huì)破壞在這個(gè)寶貴時(shí)段的觀測(cè)。例如，云層破壞了1918年美國(guó)日全食期間的一次相對(duì)論測(cè)試。在2017年日全食期間駐守美國(guó)懷俄明州、與迪特里奇一起組織相對(duì)論測(cè)試的業(yè)余天文學(xué)家布朗斯說(shuō)，從1936年到1954年有4次復(fù)制艾丁頓一戴森實(shí)驗(yàn)的嘗試以失敗告終。他說(shuō)，他們2017年組織利用日全食測(cè)試相對(duì)論的行動(dòng)，部分目的就是要告慰那些在這方面出師未捷身先死的天文學(xué)家。

百年前這方面嘗試 竟然取得驚人成功

先回到1919年。艾丁頓和戴森的專業(yè)學(xué)識(shí)讓他們尤其適合追蹤日全食的使命。戴森是英國(guó)皇家天文學(xué)家，也是格林尼治（英國(guó)倫敦東南一市鎮(zhèn);通過(guò)格林尼治天文臺(tái)的經(jīng)線被定為本初子午線）天文臺(tái)的負(fù)責(zé)人。艾丁頓是英國(guó)劍橋天文臺(tái)的負(fù)責(zé)人。在說(shuō)明太陽(yáng)能夠以現(xiàn)有方式繼續(xù)存在、而不是在自身重量下坍縮（原因是太陽(yáng)光會(huì)施加一種外推力）的理論領(lǐng)域，艾丁頓頗有建樹(shù)，這也讓他大名鼎鼎。

由艾丁頓和另一位英國(guó)天文學(xué)家科丁翰領(lǐng)導(dǎo)的觀測(cè)隊(duì)，駐守在普林西比島西北部一家可可種植園。他們采用的大多數(shù)觀測(cè)裝備都是從英國(guó)牛津天文臺(tái)借來(lái)的，原因是艾丁頓自己主導(dǎo)的劍橋天文臺(tái)在觀測(cè)日食方面并不專業(yè)。在這場(chǎng)遠(yuǎn)征中艾丁頓很可能親自完成了所有數(shù)據(jù)分析。盡管這場(chǎng)遠(yuǎn)征的文字記錄如今已不復(fù)存在，甚至就連原有的攝影底片也隨時(shí)間消失，科學(xué)歷史學(xué)家卻仍然相信數(shù)據(jù)分析的完成者是艾丁頓本人。戴森當(dāng)時(shí)告訴科丁翰，如果艾丁頓觀測(cè)到了為愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)值兩倍的恒星位置偏差量（對(duì)這個(gè)奇怪結(jié)果，不管是愛(ài)因斯坦還是牛頓的理論框架都預(yù)計(jì)不到），那么“艾丁頓會(huì)（高興得）發(fā)瘋，而你（科丁翰）只能一個(gè)人回來(lái)”。

艾丁頓（左）和戴森（右）。

與此同時(shí)，戴森實(shí)際上并未親自前往巴西索布拉爾觀測(cè)日全食，而是派出他的下屬戴維森和克羅姆林?jǐn)y帶格林尼治天文臺(tái)的部分裝備前往觀測(cè)。他倆回來(lái)后，戴森主導(dǎo)了對(duì)這支遠(yuǎn)征隊(duì)所獲探測(cè)數(shù)據(jù)的分析工作，并且與艾丁頓合作撰寫最終報(bào)告。

這兩支遠(yuǎn)征隊(duì)都必須帶回在玻璃鏡片上編碼的兩類重要數(shù)據(jù)。其中至少一張鏡片在日全食期間拍攝，另一張?jiān)谝归g對(duì)著同樣的恒星拍攝（背景中不能有太陽(yáng)和月球）。就算拍攝工作完成得再好，分析鏡片的人也會(huì)面臨一大挑戰(zhàn)：這些恒星在鏡片上就像一個(gè)個(gè)小圓圈，而恒星位置在日全食期間和非日食期間的改變量還不如這些小圓圈大，因此必須進(jìn)行非常精細(xì)也非常困難的測(cè)量。幸運(yùn)的是，戴森正是靠這類觀測(cè)謀生的。他的日常工作包括仔細(xì)測(cè)量恒星位置和檢查位置的微小改變。為此，他采用了一種叫作測(cè)微螺旋的小型裝置，它從鏡片上一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)，由此測(cè)量天體之間的距離。

這兩支觀測(cè)隊(duì)在1919年日全食那天很幸運(yùn)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)太陽(yáng)附近有一個(gè)非常明亮的星團(tuán)——畢星團(tuán)。艾丁頓稱這是“迄今為止遇到的最佳星場(chǎng)”。畢星團(tuán)中群星的亮度意味著這些恒星比亮度暗些的恒星容易看見(jiàn)，因?yàn)楹笳呖赡鼙惶?yáng)外層大氣（即日冕）的光芒遮蓋。日冕是超熱等離子體，只有在日全食期間裸眼才能看見(jiàn)日冕，這時(shí)日冕呈現(xiàn)為被擋住的太陽(yáng)周圍的一圈光暈。

科學(xué)巨擘愛(ài)因斯坦（1921年）。

1919年的兩支日全食觀測(cè)隊(duì)都取得成功，他們的探測(cè)結(jié)果都很接近愛(ài)因斯坦理論預(yù)測(cè)的位置偏差量。但這一成功存有爭(zhēng)議。例如，索布拉爾遠(yuǎn)征隊(duì)的一部望遠(yuǎn)鏡生成的鏡片圖樣令人生疑，因?yàn)殓R片上的恒星看起來(lái)更像是污點(diǎn)，而不像是圓圈。此外，一些歷史學(xué)家推測(cè)，艾丁頓-戴森團(tuán)隊(duì)可能很急于證明愛(ài)因斯坦理論的正確性，因此他們當(dāng)初可能丟棄了不符合理論預(yù)測(cè)值的數(shù)據(jù)，而這種做法顯然不合適。

但歷史學(xué)家們普遍相信，戴森不可能篡改探測(cè)結(jié)果。雖然艾丁頓在1919年日全食觀測(cè)之前就公開(kāi)支持愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)值，但他沒(méi)有插手索布拉爾鏡片處置，因此他也不可能篡改探測(cè)結(jié)果。歷史學(xué)家們都認(rèn)同一點(diǎn)：在科學(xué)或生活中很難做到完全中立。因此歷史學(xué)界認(rèn)為，不應(yīng)該因?yàn)榘☆D公布了自己的偏好而否定他的研究結(jié)論，否則就是強(qiáng)迫科學(xué)家壓制自己的觀點(diǎn)。

至于愛(ài)因斯坦本人，他看來(lái)并不很在乎自己在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為很前衛(wèi)的廣義相對(duì)論最終將接受測(cè)試。一些歷史學(xué)家認(rèn)為，愛(ài)因斯坦對(duì)自己的理論信心十足，因此他笑看1919年遠(yuǎn)征隊(duì)不畏艱難測(cè)試他的理論——他根本不相信遠(yuǎn)征隊(duì)最終會(huì)發(fā)現(xiàn)能駁倒他的證據(jù)。有科學(xué)家當(dāng)時(shí)對(duì)愛(ài)因斯坦說(shuō)：“我不能相信你真的能平靜對(duì)待（遠(yuǎn)征隊(duì)對(duì)廣義相對(duì)論的測(cè)試）?！睈?ài)因斯坦回答：“好的。我知道了?！?/p>

事實(shí)上，雖然愛(ài)因斯坦不缺乏自信，但他希望遠(yuǎn)征隊(duì)完成探測(cè)。早在1911年初，他就寫信給其他天文學(xué)家，問(wèn)他們是否愿意做這類日食實(shí)驗(yàn)（以幫助驗(yàn)證他尚未公開(kāi)發(fā)表的廣義相對(duì)論），而且他還為實(shí)驗(yàn)籌集資金。1914年。他曾資助德國(guó)天文學(xué)家弗倫德利希遠(yuǎn)征克里米亞半島觀測(cè)日食（艾丁頓進(jìn)行的正是這種測(cè)試），但這趟征途遭遇不幸：當(dāng)弗倫德利希過(guò)境俄羅斯時(shí)，奧地利皇儲(chǔ)斐迪南大公被謀殺，弗倫德利希被沙皇抓捕，觀測(cè)設(shè)備被沒(méi)收。

1919年9月，愛(ài)因斯坦收到電報(bào)說(shuō)艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的預(yù)測(cè)。當(dāng)時(shí)與愛(ài)因斯坦在一起的女物理學(xué)家和哲學(xué)家伊爾絲記述說(shuō)，愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)看起來(lái)愉快但并非狂喜，這讓她很驚訝。于是她問(wèn)愛(ài)因斯坦：“萬(wàn)一他們說(shuō)他們發(fā)現(xiàn)你的理論不符合他們的觀測(cè)，你會(huì)失望嗎？”愛(ài)因斯坦笑著說(shuō)：“那我會(huì)為他們感到遺憾，因?yàn)槲业睦碚摏](méi)錯(cuò)。”

1919年11月6日，艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)結(jié)果被正式遞交給在倫敦舉行的英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)議，這讓愛(ài)因斯坦在全球知名。更重要的是，這意味著牛頓理論首次被挑戰(zhàn)。當(dāng)然，這無(wú)損大物理學(xué)家牛頓的英名。

1922年，又一次日食出現(xiàn)。美國(guó)加州里克天文臺(tái)抓住時(shí)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果很接近艾丁頓和戴森的數(shù)據(jù)。到了這時(shí)候，愛(ài)因斯坦已經(jīng)舉世聞名，成了不折不扣的科學(xué)巨匠。戴森也嘗試重復(fù)這種實(shí)驗(yàn)，但他后來(lái)的努力被愛(ài)因斯坦等人的光輝掩蓋。

新測(cè)試結(jié)果更精確 但科學(xué)家并不滿足

自1973年以來(lái)，沒(méi)有科學(xué)家專門去復(fù)制艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)，原因是日食對(duì)于測(cè)量愛(ài)因斯坦所預(yù)測(cè)的太陽(yáng)光偏轉(zhuǎn)來(lái)說(shuō)并不再是唯一和最佳手段。例如，到了20世紀(jì)70年代，射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)讓科學(xué)家能在白天、無(wú)日食幫助的情況下觀測(cè)太陽(yáng)對(duì)類星體（超明亮星系核。每個(gè)類星體都由被巨大能量發(fā)射盤環(huán)繞的一個(gè)超大黑洞組成）發(fā)光的扭曲效應(yīng)。

這幅圖像顯示了2017年日全食期間太陽(yáng)色球?qū)樱ㄎ挥谌彰嵯旅妫┑拈W光光譜。其中色球?qū)託湓釉谝粋€(gè)特定波長(zhǎng)下產(chǎn)生紅光（右側(cè)），鈣原子則產(chǎn)生紫光（左側(cè)）。

參與迪特里奇2017年所組織日全食觀測(cè)行動(dòng)、以重復(fù)20世紀(jì)初日全食測(cè)試相對(duì)論實(shí)驗(yàn)的12個(gè)業(yè)余團(tuán)隊(duì)，通過(guò)行動(dòng)認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)失敗的可能方式其實(shí)有許多種。在其中10個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，參與者都遇到了裝備問(wèn)題（例如供電故障和過(guò)度曝光）或大氣湍流。因而實(shí)驗(yàn)者未能獲得可用數(shù)據(jù)。有一個(gè)團(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵時(shí)刻意外碰翻了望遠(yuǎn)鏡的三腳架。這些挫敗凸顯了1919年兩個(gè)遠(yuǎn)征隊(duì)在日全食期間尋覓有用的恒星時(shí)是多么幸運(yùn)，也是多么仔細(xì)。

在這幅由23幅圖像合成的圖像中，用黃圈標(biāo)記出了日全食期間太陽(yáng)周圍的恒星。圖中月面可見(jiàn)，是因?yàn)橛傻厍蚍瓷涞年?yáng)光照射到月面后又被月面反射。圖中大圈是在不同曝光時(shí)間捕捉到的日冕。

在兩個(gè)取得成功的團(tuán)隊(duì)中，有一個(gè)正是由貝里和波特蘭社區(qū)大學(xué)學(xué)生組成的。另一個(gè)就是由布朗斯領(lǐng)導(dǎo)的懷俄明團(tuán)隊(duì)。布朗斯為這次觀測(cè)準(zhǔn)備了超過(guò)1年時(shí)間，為日全食期間的關(guān)鍵幾分鐘反復(fù)演練。迪特里奇評(píng)價(jià)說(shuō)，布朗斯團(tuán)隊(duì)的觀測(cè)行動(dòng)“成績(jī)斐然”。

艾丁頓的普林西比遠(yuǎn)征隊(duì)探測(cè)結(jié)果是太陽(yáng)所致光偏轉(zhuǎn)為1.6弧秒（距離單位），戴森的索布拉爾遠(yuǎn)征隊(duì)探測(cè)結(jié)果是1.98弧秒（不確定邊際約為30%）。2017年布朗斯（他是一位退休的光學(xué)物理學(xué)家）所拍攝圖像的轉(zhuǎn)譯數(shù)據(jù)精確吻合愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)值——1.7512弧秒，不確定邊際（與大氣湍流有關(guān)）只有3%。由于這項(xiàng)成績(jī)，布朗斯贏得美國(guó)天文學(xué)學(xué)會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)，他的探測(cè)結(jié)果發(fā)表于《經(jīng)典與量子引力》雜志上。

貝里、布朗斯和迪特里奇已經(jīng)把目光轉(zhuǎn)向2024年。到時(shí)候，從美國(guó)得克薩斯州一直到緬因州都能觀測(cè)到日全食。迪特里奇說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)希望更大規(guī)模重復(fù)艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)，如果屆時(shí)沒(méi)有大氣干擾，他們就有可能取得比布朗斯團(tuán)隊(duì)2017年探測(cè)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

回首艾丁頓-戴森實(shí)驗(yàn)，貝里依然對(duì)這些100多年前科學(xué)團(tuán)隊(duì)的探測(cè)意義感到敬畏。他說(shuō)：“這（指通過(guò)日全食驗(yàn)證相對(duì)論）是必須進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，它帶來(lái)了巨大變革;只需追蹤相對(duì)論和量子力學(xué)及其衍生物的進(jìn)展，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)代世界完全取決于這些事物的發(fā)生?！?/p>