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廣義相對(duì)論是怎樣被證明的
光線在通過大質(zhì)量物體附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，這是廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言。但對(duì)這一預(yù)言的驗(yàn)證常被戲劇化地、簡(jiǎn)單化和夸張地再現(xiàn)給觀眾和讀者，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(xiàn)愛因斯坦一生的法國(guó)電影《愛因斯坦》中，有這樣一個(gè)鏡頭，1919年秋季某一天在德國(guó)柏林，愛因斯坦舉著一張黑乎乎的照相底片，對(duì)普朗克說：（大意）多么真實(shí)的光線彎曲啊，多么漂亮的驗(yàn)證啊！
光線在通過大質(zhì)量物體附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，這是廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言。但對(duì)這一預(yù)言的驗(yàn)證常被戲劇化、簡(jiǎn)單化和夸張地再現(xiàn)給觀眾和讀者，大大偏離了科學(xué)史史實(shí)。筆者覺得圍繞光線彎曲的預(yù)言與驗(yàn)證，有以下三個(gè)方面的史實(shí)需要澄清。
首先，光線彎曲不是廣義相對(duì)論獨(dú)有的預(yù)言。早在1801年索德納（Johann von Soldner，1766－1833）就根據(jù)牛頓力學(xué)，把光微粒當(dāng)做有質(zhì)量的粒子，預(yù)言了光線經(jīng)過太陽邊緣時(shí)會(huì)發(fā)生0.87角秒的偏折。1911年在布拉格大學(xué)當(dāng)教授的愛因斯坦根據(jù)相對(duì)論算出日食時(shí)太陽邊緣的星光將會(huì)偏折0.87角秒。1912年回到蘇黎士的愛因斯坦發(fā)現(xiàn)空間是彎曲的，到1915年已在柏林普魯士科學(xué)院任職的愛因斯坦把太陽邊緣星光的偏折度修正為1.74角秒。
其次，需要觀測(cè)來檢驗(yàn)的不只是光線有沒有彎曲，更重要的是光線彎曲的量到底是多大，并以此來判別哪種理論與觀測(cè)數(shù)據(jù)符合得更好。這里非常關(guān)鍵的一個(gè)因素就是觀測(cè)精度。即使觀測(cè)結(jié)果否定了牛頓理論的預(yù)言，也不等于就支持了廣義相對(duì)論的預(yù)言。只有觀測(cè)值在容許的誤差范圍內(nèi)與愛因斯坦的預(yù)言符合，才能說觀測(cè)結(jié)果支持廣義相對(duì)論。20世紀(jì)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(yù)言星光會(huì)被太陽偏折，偏折量比廣義相對(duì)論預(yù)言的量小8％。為了判別廣義相對(duì)論和布蘭斯－迪克理論哪個(gè)更符合觀測(cè)結(jié)果，對(duì)觀測(cè)精度就提出了更高的要求。
第三，光線彎曲的效應(yīng)不可能用眼睛直觀地在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)或照相底片上看到，光線偏折的量需要經(jīng)過一系列的觀測(cè)、測(cè)量、歸算后得出。要檢驗(yàn)光線通過大質(zhì)量物體附近發(fā)生彎曲的程度，最好的機(jī)會(huì)莫過于在發(fā)生日全食時(shí)對(duì)太陽所在的附近天區(qū)進(jìn)行照相觀測(cè)。在日全食時(shí)拍攝若干照相底片，然后最好等半年之后對(duì)同一天區(qū)再拍攝若干底片。通過對(duì)相隔半年的兩組底片進(jìn)行測(cè)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)，在緊貼太陽邊緣處也是不可能看到恒星的。以1973年的一次觀測(cè)為例，被拍攝到的恒星大多集中在離開太陽中心5到9個(gè)太陽半徑的距離處，所以太陽邊緣處的星光偏折必定是根據(jù)歸算出來的曲線而外推獲得的量。靠近太陽最近的一、二顆恒星往往非常強(qiáng)烈地影響最后的結(jié)果。
作了上述澄清之后，再來看本文開頭所述的電影《愛因斯坦》中的藝術(shù)表達(dá)手法，過分得有點(diǎn)在愚弄觀眾的味道了；而一些科學(xué)類讀物中的說法，譬如“愛丁頓率領(lǐng)著考察團(tuán)，去南非看日食，真的看見了”這樣的描述也過于粗略，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。那么，對(duì)光線彎曲預(yù)言的驗(yàn)證的真實(shí)歷史是怎樣的呢？
愛丁頓對(duì)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論關(guān)于光線彎曲的預(yù)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(yàn)光線彎曲的觀測(cè)，英國(guó)人組織了兩個(gè)觀測(cè)遠(yuǎn)征隊(duì)。一隊(duì)到巴西北部的索布拉爾（Sobral），另一隊(duì)到非洲幾內(nèi)亞海灣的普林西比島（Principe），愛丁頓參加了后一隊(duì)，但他的運(yùn)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月兩支觀測(cè)隊(duì)的結(jié)果被歸算出來：索布拉爾觀測(cè)隊(duì)的結(jié)果是1.98″±0.12″；普林西比隊(duì)的結(jié)果是1.61″±0.30″。1919年11月6日，英國(guó)人宣布光線按照愛因斯坦所預(yù)言的方式發(fā)生偏折。
但是這一宣布是草率的，因?yàn)閮芍в^測(cè)隊(duì)歸算出來的最后結(jié)果后來受到人們的懷疑。天文學(xué)家們明白，在檢驗(yàn)光線彎曲這樣一個(gè)復(fù)雜的觀測(cè)中，導(dǎo)致最后結(jié)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(dǎo)致大氣擾動(dòng)的模型發(fā)生變化、望遠(yuǎn)鏡聚焦系統(tǒng)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(dǎo)致最后測(cè)算結(jié)果的系統(tǒng)誤差大大增加。愛丁頓他們顯然也認(rèn)識(shí)到了溫度變化對(duì)儀器精度的影響，他們?cè)趫?bào)告中說，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(dá)22°F。后來研究人員考慮了溫度變化帶來的影響，重新測(cè)算了索布拉爾的底片，最大的光線偏折量可達(dá)2.16″±0.14″。
底片的成像質(zhì)量也影響最后結(jié)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(tái)的天體照相儀拍攝，這架專門用于天體照相觀測(cè)的儀器所拍攝的底片質(zhì)量卻較差，另一架4英寸的望遠(yuǎn)鏡拍攝了7張成像質(zhì)量較好的底片。按照前19張底片歸算出來的光線偏折值是0.93″，按照后7張底片歸算出來的光線偏折值卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于愛因斯坦的預(yù)言值。最后公布的值是所有26張底片的平均值。研究人員驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)，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(jié)果。
后來1922年、1929年、1936年、1947年和1952年發(fā)生日食時(shí)，各國(guó)天文學(xué)家都組織了檢驗(yàn)光線彎曲的觀測(cè)，公布的結(jié)果有的與廣義相對(duì)論的預(yù)言符合較好，有的則嚴(yán)重不符合。但不管怎樣，到20世紀(jì)60年代初，天文學(xué)家開始確信太陽對(duì)星光有偏折，并認(rèn)為愛因斯坦預(yù)言的偏折量比牛頓力學(xué)所預(yù)言的更接近于觀測(cè)，但是愛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(jì)全食時(shí)間第二長(zhǎng)的日全食，并且發(fā)生日全食時(shí)太陽位于恒星最密集的銀河星空背景下，十分有利于對(duì)光線偏折進(jìn)行檢驗(yàn)。美國(guó)人在毛里塔尼亞的欣蓋提沙漠綠洲建造了專門用于觀測(cè)的絕熱小屋，并為提高觀測(cè)精度作了精心的準(zhǔn)備，譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、對(duì)整個(gè)儀器的溫度變化進(jìn)行監(jiān)控等等。在拍攝了日食照片后，觀測(cè)隊(duì)封存了小屋，用水泥封住了望遠(yuǎn)鏡上的止動(dòng)銷，到11月初再回去拍攝了比較底片。用精心設(shè)計(jì)的計(jì)算程序?qū)λ械挠^測(cè)量進(jìn)行分析之后，得到太陽邊緣處星光的偏折是1.66″±0.18″。這一結(jié)果再次證實(shí)廣義相對(duì)論的預(yù)言比牛頓力學(xué)的預(yù)言更符合觀測(cè)，但是難以排除此前已經(jīng)提出的布蘭斯－迪克理論。
光學(xué)觀測(cè)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(zhǎng)基線干涉儀，觀測(cè)了太陽對(duì)三個(gè)射電源的偏折，最后得到太陽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(duì)論的預(yù)言，只不過觀測(cè)的不是看得見的光線而是看不見的微波。
那么，我們難道只能說直到1975年愛因斯坦的廣義相對(duì)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(duì)論提出之后半個(gè)多世紀(jì)里人們對(duì)光線彎曲預(yù)言的檢驗(yàn)情況來看，1919年所謂的驗(yàn)證在相當(dāng)程度上是不合格的。但愛因斯坦因這次驗(yàn)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(shù)科學(xué)史家也都把1919年的日食觀測(cè)當(dāng)做證實(shí)了愛因斯坦理論的觀測(cè)。那么愛因斯坦本人又是如何看待他的理論預(yù)言和觀測(cè)驗(yàn)證的呢？
早在1914年，愛因斯坦還沒有算出正確的光線偏折值，就已經(jīng)在給貝索（Besso）的信中說：“無論日食觀測(cè)成功與否，我已毫不懷疑整個(gè)理論體系的正確性（correctness）。”還有一個(gè)故事也廣泛流傳，說的是當(dāng)預(yù)言被證實(shí)的消息傳來，愛因斯坦正在上課，一位學(xué)生問他假如他的預(yù)言被證明是錯(cuò)的，他會(huì)怎么辦？愛因斯坦回答說：“那么我會(huì)為親愛的上帝覺得難過，畢竟我的理論是正確的。”1930年愛因斯坦寫道：“我認(rèn)為廣義相對(duì)論主要意義不在于預(yù)言了一些微弱的觀測(cè)效應(yīng)，而是在于它的理論基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單性。”
在愛因斯坦看來，是廣義相對(duì)論內(nèi)在的簡(jiǎn)單性保證了它的“正確”性。1919年的證實(shí)確實(shí)給愛因斯坦帶來了榮譽(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(duì)論是“正確”的，但這種證實(shí)很大程度上只是起到了“說服”的作用。從科學(xué)史上來看，精密的數(shù)理科學(xué)的進(jìn)步模式確實(shí)有著這樣的規(guī)律和特點(diǎn)：它們往往是運(yùn)用了當(dāng)時(shí)已有的最高深的數(shù)學(xué)知識(shí)而構(gòu)建起來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(nèi)在的簡(jiǎn)單性和統(tǒng)一性所保證。雖然它們必然會(huì)給出可供檢驗(yàn)的預(yù)言，譬如哥白尼日心說預(yù)言了恒星周年視差，愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言了光線彎曲，霍金的黑洞理論預(yù)言了霍金輻射，但不必等到這些預(yù)言被證實(shí)，那些理論就應(yīng)該并可以被當(dāng)做科學(xué)理論。
那么“預(yù)言的證實(shí)”除了給愛因斯坦帶來科學(xué)之外的榮譽(yù)外，還有沒有別的意義呢？筆者以為，通過觀測(cè)來證實(shí)某一理論，對(duì)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因斯坦來說，他自信理論的正確性有內(nèi)在的保證。而對(duì)于更多的其他人，他們并沒有能力在深刻理解理論的基礎(chǔ)上來判斷該理論的正確性，所以只能采取“預(yù)言－證實(shí)”這樣一種在其他場(chǎng)合也能行之有效的模式來判斷理論的正確性。這“更多的其他人”包括了從較為專業(yè)的研究人員到一般大眾的復(fù)雜人群構(gòu)成。在理論提出者和“更多其他人”眼里，理論“正確”的標(biāo)準(zhǔn)也顯然是不一致的。愛因斯坦在1914年就確信他的理論是正確的；從報(bào)紙等媒體上獲悉科學(xué)信息的一般大眾則在1919年相信了愛因斯坦是正確的；而在更為專業(yè)的研究人員那里，還要經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的反復(fù)檢驗(yàn)，才敢說廣義相對(duì)論在當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平上是正確的。
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