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廣義相對論是怎樣被證明的
光線(xiàn)在通過(guò)大質(zhì)量物體附近時(shí)會(huì )發(fā)生彎曲，這是廣義相對論的一個(gè)重要預言。但對這一預言的驗證常被戲劇化地、簡(jiǎn)單化和夸張地再現給觀(guān)眾和讀者，大大偏離了科學(xué)史史實(shí)。那么，真實(shí)的情形如何呢？
在一部藝術(shù)地再現愛(ài)因斯坦一生的法國電影《愛(ài)因斯坦》中，有這樣一個(gè)鏡頭，1919年秋季某一天在德國柏林，愛(ài)因斯坦舉著(zhù)一張黑乎乎的照相底片，對普朗克說(shuō)：（大意）多么真實(shí)的光線(xiàn)彎曲啊，多么漂亮的驗證��！
光線(xiàn)在通過(guò)大質(zhì)量物體附近時(shí)會(huì )發(fā)生彎曲，這是廣義相對論的一個(gè)重要預言。但對這一預言的驗證常被戲劇化、簡(jiǎn)單化和夸張地再現給觀(guān)眾和讀者，大大偏離了科學(xué)史史實(shí)。筆者覺(jué)得圍繞光線(xiàn)彎曲的預言與驗證，有以下三個(gè)方面的史實(shí)需要澄清。
首先，光線(xiàn)彎曲不是廣義相對論獨有的預言。早在1801年索德納（Johann von Soldner，1766－1833）就根據牛頓力學(xué)，把光微粒當做有質(zhì)量的粒子，預言了光線(xiàn)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)邊緣時(shí)會(huì )發(fā)生0.87角秒的偏折。1911年在布拉格大學(xué)當教授的愛(ài)因斯坦根據相對論算出日食時(shí)太陽(yáng)邊緣的星光將會(huì )偏折0.87角秒。1912年回到蘇黎士的愛(ài)因斯坦發(fā)現空間是彎曲的，到1915年已在柏林普魯士科學(xué)院任職的愛(ài)因斯坦把太陽(yáng)邊緣星光的偏折度修正為1.74角秒。
其次，需要觀(guān)測來(lái)檢驗的不只是光線(xiàn)有沒(méi)有彎曲，更重要的是光線(xiàn)彎曲的量到底是多大，并以此來(lái)判別哪種理論與觀(guān)測數據符合得更好。這里非常關(guān)鍵的一個(gè)因素就是觀(guān)測精度。即使觀(guān)測結果否定了牛頓理論的預言，也不等于就支持了廣義相對論的預言。只有觀(guān)測值在容許的誤差范圍內與愛(ài)因斯坦的預言符合，才能說(shuō)觀(guān)測結果支持廣義相對論。20世紀60年代初，有一種新的引力理論——布蘭斯－迪克理論（Brans－Dicke Theory）也預言星光會(huì )被太陽(yáng)偏折，偏折量比廣義相對論預言的量小8％。為了判別廣義相對論和布蘭斯－迪克理論哪個(gè)更符合觀(guān)測結果，對觀(guān)測精度就提出了更高的要求。
第三，光線(xiàn)彎曲的效應不可能用眼睛直觀(guān)地在望遠鏡內或照相底片上看到，光線(xiàn)偏折的量需要經(jīng)過(guò)一系列的觀(guān)測、測量、歸算后得出。要檢驗光線(xiàn)通過(guò)大質(zhì)量物體附近發(fā)生彎曲的程度，最好的機會(huì )莫過(guò)于在發(fā)生日全食時(shí)對太陽(yáng)所在的附近天區進(jìn)行照相觀(guān)測。在日全食時(shí)拍攝若干照相底片，然后最好等半年之后對同一天區再拍攝若干底片。通過(guò)對相隔半年的兩組底片進(jìn)行測算，才能確定星光被偏折的程度。這里還需要指出，即使是在日全食時(shí)，在緊貼太陽(yáng)邊緣處也是不可能看到恒星的。以1973年的一次觀(guān)測為例，被拍攝到的恒星大多集中在離開(kāi)太陽(yáng)中心5到9個(gè)太陽(yáng)半徑的距離處，所以太陽(yáng)邊緣處的星光偏折必定是根據歸算出來(lái)的曲線(xiàn)而外推獲得的量�？拷�(yáng)最近的一、二顆恒星往往非常強烈地影響最后的結果。
作了上述澄清之后，再來(lái)看本文開(kāi)頭所述的電影《愛(ài)因斯坦》中的藝術(shù)表達手法，過(guò)分得有點(diǎn)在愚弄觀(guān)眾的味道了；而一些科學(xué)類(lèi)讀物中的說(shuō)法，譬如“愛(ài)丁頓率領(lǐng)著(zhù)考察團，去南非看日食，真的看見(jiàn)了”這樣的描述也過(guò)于粗略，容易產(chǎn)生誤導。那么，對光線(xiàn)彎曲預言的驗證的真實(shí)歷史是怎樣的呢？
愛(ài)丁頓對檢驗廣義相對論關(guān)于光線(xiàn)彎曲的預言十分感興趣。為了在1919年5月29日發(fā)生日全食時(shí)進(jìn)行檢驗光線(xiàn)彎曲的觀(guān)測，英國人組織了兩個(gè)觀(guān)測遠征隊。一隊到巴西北部的索布拉爾（Sobral），另一隊到非洲幾內亞海灣的普林西比島（Principe），愛(ài)丁頓參加了后一隊，但他的運氣比較差，日全食發(fā)生時(shí)普林西比的氣象條件不是很好。1919年11月兩支觀(guān)測隊的結果被歸算出來(lái)：索布拉爾觀(guān)測隊的結果是1.98″±0.12″；普林西比隊的結果是1.61″±0.30″。1919年11月6日，英國人宣布光線(xiàn)按照愛(ài)因斯坦所預言的方式發(fā)生偏折。
但是這一宣布是草率的，因為兩支觀(guān)測隊歸算出來(lái)的最后結果后來(lái)受到人們的懷疑。天文學(xué)家們明白，在檢驗光線(xiàn)彎曲這樣一個(gè)復雜的觀(guān)測中，導致最后結果產(chǎn)生誤差的因素很多。其中影響很大的一個(gè)因素是溫度的變化，溫度變化導致大氣擾動(dòng)的模型發(fā)生變化、望遠鏡聚焦系統發(fā)生變化、照相底片的尺寸因熱脹冷縮而發(fā)生變化，這些變化導致最后測算結果的系統誤差大大增加。愛(ài)丁頓他們顯然也認識到了溫度變化對儀器精度的影響，他們在報告中說(shuō)，小于10°F的溫差是可以忽略的。但是索布拉爾夜晚溫度為75°F，白天溫度為97°F，晝夜溫差達22°F。后來(lái)研究人員考慮了溫度變化帶來(lái)的影響，重新測算了索布拉爾的底片，最大的光線(xiàn)偏折量可達2.16″±0.14″。
底片的成像質(zhì)量也影響最后結果。1919年7月在索布拉爾一共拍攝了26張比較底片，其中19張由格林尼治皇家天文臺的天體照相儀拍攝，這架專(zhuān)門(mén)用于天體照相觀(guān)測的儀器所拍攝的底片質(zhì)量卻較差，另一架4英寸的望遠鏡拍攝了7張成像質(zhì)量較好的底片。按照前19張底片歸算出來(lái)的光線(xiàn)偏折值是0.93″，按照后7張底片歸算出來(lái)的光線(xiàn)偏折值卻遠遠大于愛(ài)因斯坦的預言值。最后公布的值是所有26張底片的平均值。研究人員驗算后發(fā)現，如果去掉其中成像不好的一、二顆恒星，會(huì )大大改變最后結果。
后來(lái)1922年、1929年、1936年、1947年和1952年發(fā)生日食時(shí)，各國天文學(xué)家都組織了檢驗光線(xiàn)彎曲的觀(guān)測，公布的結果有的與廣義相對論的預言符合較好，有的則嚴重不符合。但不管怎樣，到20世紀60年代初，天文學(xué)家開(kāi)始確信太陽(yáng)對星光有偏折，并認為愛(ài)因斯坦預言的偏折量比牛頓力學(xué)所預言的更接近于觀(guān)測，但是愛(ài)因斯坦的理論可能需要修正。
1973年6月30日的日全食是20世紀全食時(shí)間第二長(cháng)的日全食，并且發(fā)生日全食時(shí)太陽(yáng)位于恒星最密集的銀河星空背景下，十分有利于對光線(xiàn)偏折進(jìn)行檢驗。美國人在毛里塔尼亞的欣蓋提沙漠綠洲建造了專(zhuān)門(mén)用于觀(guān)測的絕熱小屋，并為提高觀(guān)測精度作了精心的準備，譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、對整個(gè)儀器的溫度變化進(jìn)行監控等等。在拍攝了日食照片后，觀(guān)測隊封存了小屋，用水泥封住了望遠鏡上的止動(dòng)銷(xiāo)，到11月初再回去拍攝了比較底片。用精心設計的計算程序對所有的觀(guān)測量進(jìn)行分析之后，得到太陽(yáng)邊緣處星光的偏折是1.66″±0.18″。這一結果再次證實(shí)廣義相對論的預言比牛頓力學(xué)的預言更符合觀(guān)測，但是難以排除此前已經(jīng)提出的布蘭斯－迪克理論。
光學(xué)觀(guān)測的精度似乎到了極限，但1974年到1975年間，福馬倫特和什拉梅克利用甚長(cháng)基線(xiàn)干涉儀，觀(guān)測了太陽(yáng)對三個(gè)射電源的偏折，最后得到太陽(yáng)邊緣處射電源的微波被偏折1.761″±0.016″。終于天文學(xué)家以誤差小于1％的精度證實(shí)了廣義相對論的預言，只不過(guò)觀(guān)測的不是看得見(jiàn)的光線(xiàn)而是看不見(jiàn)的微波。
那么，我們難道只能說(shuō)直到1975年愛(ài)因斯坦的廣義相對論才成為“正確”的理論？才上升為科學(xué)？
從本文前述廣義相對論提出之后半個(gè)多世紀里人們對光線(xiàn)彎曲預言的檢驗情況來(lái)看，1919年所謂的驗證在相當程度上是不合格的。但愛(ài)因斯坦因這次驗證而獲得了極大的榮譽(yù)也是毋庸置疑的。如今的媒體和大多數科學(xué)史家也都把1919年的日食觀(guān)測當做證實(shí)了愛(ài)因斯坦理論的觀(guān)測。那么愛(ài)因斯坦本人又是如何看待他的理論預言和觀(guān)測驗證的呢？
早在1914年，愛(ài)因斯坦還沒(méi)有算出正確的光線(xiàn)偏折值，就已經(jīng)在給貝索（Besso）的信中說(shuō)：“無(wú)論日食觀(guān)測成功與否，我已毫不懷疑整個(gè)理論體系的正確性（correctness）�！边�有一個(gè)故事也廣泛流傳，說(shuō)的是當預言被證實(shí)的消息傳來(lái)，愛(ài)因斯坦正在上課，一位學(xué)生問(wèn)他假如他的預言被證明是錯的，他會(huì )怎么辦？愛(ài)因斯坦回答說(shuō)：“那么我會(huì )為親愛(ài)的上帝覺(jué)得難過(guò)，畢竟我的理論是正確的�！�1930年愛(ài)因斯坦寫(xiě)道：“我認為廣義相對論主要意義不在于預言了一些微弱的觀(guān)測效應，而是在于它的理論基礎的簡(jiǎn)單性�！�
在愛(ài)因斯坦看來(lái)，是廣義相對論內在的簡(jiǎn)單性保證了它的“正確”性。1919年的證實(shí)確實(shí)給愛(ài)因斯坦帶來(lái)了榮譽(yù)，但那是科學(xué)之外的事情；1919年的證實(shí)或許還讓更多的人“相信”廣義相對論是“正確”的，但這種證實(shí)很大程度上只是起到了“說(shuō)服”的作用。從科學(xué)史上來(lái)看，精密的數理科學(xué)的進(jìn)步模式確實(shí)有著(zhù)這樣的規律和特點(diǎn)：它們往往是運用了當時(shí)已有的最高深的數學(xué)知識而構建起來(lái)的一些精致的理論模型，它們的“正確”性很大程度上由它們內在的簡(jiǎn)單性和統一性所保證。雖然它們必然會(huì )給出可供檢驗的預言，譬如哥白尼日心說(shuō)預言了恒星周年視差，愛(ài)因斯坦廣義相對論預言了光線(xiàn)彎曲，霍金的黑洞理論預言了霍金輻射，但不必等到這些預言被證實(shí)，那些理論就應該并可以被當做科學(xué)理論。
那么“預言的證實(shí)”除了給愛(ài)因斯坦帶來(lái)科學(xué)之外的榮譽(yù)外，還有沒(méi)有別的意義呢？筆者以為，通過(guò)觀(guān)測來(lái)證實(shí)某一理論，對于該理論被科學(xué)共同體接受有至關(guān)重要的作用。在理論提出者譬如愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)，他自信理論的正確性有內在的保證。而對于更多的其他人，他們并沒(méi)有能力在深刻理解理論的基礎上來(lái)判斷該理論的正確性，所以只能采取“預言－證實(shí)”這樣一種在其他場(chǎng)合也能行之有效的模式來(lái)判斷理論的正確性。這“更多的其他人”包括了從較為專(zhuān)業(yè)的研究人員到一般大眾的復雜人群構成。在理論提出者和“更多其他人”眼里，理論“正確”的標準也顯然是不一致的。愛(ài)因斯坦在1914年就確信他的理論是正確的；從報紙等媒體上獲悉科學(xué)信息的一般大眾則在1919年相信了愛(ài)因斯坦是正確的；而在更為專(zhuān)業(yè)的研究人員那里，還要經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的反復檢驗，才敢說(shuō)廣義相對論在當時(shí)的認識水平上是正確的。
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