1919年5月29日，在非洲西海岸的普林西比島（Principe），英國天文學家亞(ya) 瑟·愛丁頓（Arthur Eddington，1882-1944）對一場為(wei) 時五分鍾的日食進行了觀測，拍下了人類曆史上最重要的一張日食照片。半年的數據分析之後，他們(men) 在倫(lun) 敦召開了新聞發布會(hui) ，馬上成了全世界的頭條：愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）的相對論取得勝利。

　　相對論是人類曆史上最成功的引力理論，誕生一百多年來，它作出的預測從(cong) 未失敗。更重要的是，它顛覆了人們(men) 長期以來的信念，即空間與(yu) 時間的客觀存在，進而對哲學乃至大眾(zhong) 文化產(chan) 生了影響。

　　愛丁頓拍攝的日食照片之一，後來出現在 1920 年發表的論文中。圖片來源：Wikipedia 

　　光有速度嗎？ 

　　相對論的故事得從(cong) 光速說起，在它誕生之前，物理學界關(guan) 於(yu) 光的討論已經持續了三百年。

　　在愛因斯坦的理論中，真空中的光速是宇宙中最快的速度，如今我們(men) 知道這個(ge) 速度大約是每秒 30 萬(wan) 公裏。不過，或許是因為(wei) 日常生活中很難感覺到光速的存在，在過去，人們(men) 通常假設光速是無限的。

　　在17世紀，伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）最先嚐試測量光速。他讓兩(liang) 個(ge) 觀察者各持一盞燈，A 先把燈點亮，B 看到後也點亮自己的燈，然後計算 A 從(cong) 點燈到看到 B 的燈光的時間差。受限於(yu) 當時的實驗條件，他沒有成功——哪怕讓兩(liang) 人相距一英裏（約 1.6 千米），測量結果也和他們(men) 靠在一起的時候差不多。

　　17世紀末，科學家們(men) 再次嚐試測量光速，這一次靠的是木衛食，即在地球上觀測時，木星將它的衛星遮住的現象。丹麥天文學家奧勒·羅默（Ole Romer，1644-1710）發現，當地球離木星距離不同的時候，木衛食出現的周期不一樣，距離較遠的時候木衛食出現得更晚一點，大約相差 10 分鍾，這說明此時木衛反射的光要花更長的時間才能到達地球。羅默認為(wei) 這個(ge) 現象證明光速是有限的。

　　測量光速示意圖。當地球從(cong) L 點轉到 K 點的時候，第一個(ge) 木衛食出現的時間比根據運算周期計算得到的時間要晚幾分鍾，羅默認為(wei) 這就是光在經過 LK 的時候多花的時間。反之，當地球從(cong) F 點轉到 G 點的時候，木衛食出現的時間就比計算結果要早。圖片來源：羅默於(yu) 1676 年發表的論文，Wikipedia 

　　正如一切新理論一樣，這個(ge) 結論並沒有被立刻接受。到 1728 年，哥本哈根發生了當地曆史上最大的火災，羅默的許多觀測資料毀於(yu) 一旦。

　　而大火發生前一個(ge) 月，在北海的彼岸，英國天文學家詹姆斯·布拉德雷（James Bradley，1693-1762）對光速進行了更加精確的測算。布拉德雷進而估計太陽光到達地球的時間為(wei) 8 分 13 秒，與(yu) 現代的觀測結果隻有幾秒鍾的差異。

　　水波還是顆粒？ 

　　光速的測定回答了一個(ge) 問題，卻引出了更多的問題：光是如何傳(chuan) 播的？在不同的介質裏，光速會(hui) 發生怎樣的變化？

　　同樣在 17 世紀，物理學家們(men) 對光的本質展開了研究。荷蘭(lan) 物理學家克裏斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695）認為(wei) 光是一種波，在“以太”中像水波一樣傳(chuan) 播。像同時代的科學家一樣，他認為(wei) 以太是一種充斥所有空間的流體(ti) ，地球能夠圍繞太陽轉動正是因為(wei) 太陽帶動了以太的漩渦。

　　波動說能夠解釋光的反射和折射，卻無法很好地解釋為(wei) 什麽(me) 光沿直線傳(chuan) 播。這時候，艾薩克·牛頓（Issac Newton，1623-1727）提出了一種截然不同的理論。為(wei) 了解釋棱鏡實驗的結果，牛頓指出，光應當是一種微粒，光通過棱鏡的時候就像網球被斜拍打出去的時候一樣，劃出一道曲線。（今天我們(men) 更熟悉的現象是足球賽裏的“香蕉球”。）

　　這兩(liang) 種學說在解釋光速變化的時候發生了分歧：波動說認為(wei) 光在折射率更大的介質中速度較小，而微粒說的推論結果恰好相反。到 19 世紀中葉，科學家才通過實驗測定了不同介質中的光速，最終推翻了微粒說。

　　最著名的“失敗”實驗 

　　但是波動說還沒有完全取得勝利。在那個(ge) 年代，波動說的解釋依賴以太的存在，可是以太又是什麽(me) 樣子？

　　19世紀的物理學家並不懷疑以太的存在，隻是在解釋它的性質方麵遇到了重重困難。比如，偏振現象表明光存在相對於(yu) 傳(chuan) 播方向的橫向振動，這說明以太是一種彈性固體(ti) ，因為(wei) 在空氣這樣的彈性流體(ti) 中不會(hui) 發生這樣的現象。但是，如果以太是一種固體(ti) ，那麽(me) 行星又怎麽(me) 能穿過它呢？

　　為(wei) 了檢驗以太的性質，1887 年，在美國的克利夫蘭(lan) 進行了著名的邁克爾遜-莫雷實驗，由阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson，1852-1931）和愛德華·莫雷（Edward Morley，1838-1923）設計。實驗的原理很簡單：如果地球在以太中運動，那麽(me) 當光線順著以太運動時，它的速度應當比逆行的時候要快，就像順著水流遊泳要更輕鬆一樣。

　　為(wei) 了保證實驗裝置處在水平、穩定的位置，邁克爾遜和莫雷將它安放在一塊漂浮在水銀中的大理石板上。他們(men) 讓一束光從(cong) 光源（a）出發，經過一麵與(yu) 光傳(chuan) 播方向成 45 度角的半透明分光鏡（b），鏡片讓一部分光直接通過，另一部分光被反射，分別到達兩(liang) 麵鏡子（c、d）。如果光束到達兩(liang) 麵鏡子並返回的時間不同，就會(hui) 出現相位差，最終在中間形成幹涉條紋。並且隨著儀(yi) 器轉動，光的路徑與(yu) 以太流動方向的相對位置發生變化，那麽(me) 幹涉條紋應當會(hui) 發生移動。

　　邁克爾遜-莫雷實驗原理圖。圖片來源：Wikipedia 

　　但是，盡管多次重複實驗，邁克爾遜和莫雷並沒有發現幹涉條紋的明顯移動。在當時的實驗物理學家們(men) 看來，實驗結果證明了以太與(yu) 地球相對靜止，這令他們(men) 感到十分困惑。

　　到邁入 20 世紀之時，絕對溫標的發明者開爾文說：“兩(liang) 朵烏(wu) 雲(yun) ……遮蔽了把光和熱斷定為(wei) 運動形式的動力學理論的美麗(li) 和明晰。”其中一朵烏(wu) 雲(yun) 指黑體(ti) 輻射，另一朵就是還未找到理想解釋的邁克爾遜-莫雷幹涉實驗。

　　撥雲(yun) 見日 

　　1895年，荷蘭(lan) 物理學家亨德裏克·洛倫(lun) 茲(zi) （Hendrik Lorentz，1853-1928）結合當時的電磁學研究成果，作出了大膽的假設：如果物體(ti) 本質上是靠電磁力結合在一起的，那麽(me) 當物體(ti) 在有電磁性的以太當中運動時，就可能沿著它運動方向縮短。經過複雜的計算，洛倫(lun) 茲(zi) 提出了洛倫(lun) 茲(zi) 變換，用於(yu) 解釋不同參考係中運動的換算關(guan) 係。

　　1921年，愛因斯坦與(yu) 洛倫(lun) 茲(zi) 。圖片來源：Wikipedia 

　　洛倫(lun) 茲(zi) 已經很接近狹義(yi) 相對論，隻是他還沒有放棄以太。其他實驗物理學家也沒有放棄，他們(men) 試圖用更靈敏的儀(yi) 器重複實驗，或者到海拔更高的地方重複實驗。

　　為(wei) 什麽(me) 那個(ge) 年代的物理學家們(men) 會(hui) 固執地相信這樣一種不可捉摸的物質的存在？今天的我們(men) 或許對此感到難以理解，但是在 20 世紀，否認以太可以說意味著否認物質與(yu) 時間的永恒。以太的存在隱含了一個(ge) 假設，那就是存在絕對客觀、亙(gen) 古不變的空間參考係。從(cong) 哲學的角度上看，物質占據固定的空間，時間以固定的步調流逝，這是人類心目中對世界的固有認識。

　　而愛因斯坦首先意識到，絕對空間與(yu) 絕對時間的概念是想象中的虛構，它受限於(yu) 人類的經驗。實際上，對統一係統的觀測結果取決(jue) 於(yu) 觀察者的位置，處在同一係統中的觀察者和處在另一個(ge) 係統中的觀察者看到的是不一樣的。也就是說，時間和空間不是絕對的，而是與(yu) 觀察者相對的。

　　至於(yu) 那個(ge) 看不見、摸不著的以太，隻需要承認空間具有傳(chuan) 播電磁波的能力，就可以拋棄對以太的依賴。愛因斯坦及合作者後來在書(shu) 中寫(xie) 道：

　　“我們(men) 想使以太成為(wei) 實在的東(dong) 西的一切努力都失敗了。它既不顯示它的力學結構，又不顯示絕對運動。除了發明以太時所賦予它的一種性質，即傳(chuan) 播電磁波的能力以外，其他任何性質都沒有了。我們(men) 力圖發現以太的性質，但一切努力都引起了困難和矛盾。經過這麽(me) 多的失敗之後，現在應該是完全丟(diu) 開以太的時候，以後再也不要提起它的名字了。”

　　——《物理學的進化》

　　在洛倫(lun) 茲(zi) 變換的基礎上，愛因斯坦於(yu) 1905年提出了狹義(yi) 相對論，進而在1915年提出了廣義(yi) 相對論。

　　偉(wei) 大的五分鍾 

　　如何驗證相對論是否正確？在許多方麵，相對論的推論與(yu) 牛頓力學大致相同，隻有在宇宙的尺度，兩(liang) 者才會(hui) 產(chan) 生分歧。有幾個(ge) 關(guan) 鍵的現象可以成為(wei) 檢驗這一新理論的試金石，其中之一就是日食。

　　按照愛因斯坦的理論，當光線通過引力場的時候，路線會(hui) 發生彎折。當發生日食的時候，太陽附近的恒星將不再被太陽的光芒掩蓋，並且由於(yu) 太陽引力的作用，恒星發出的光線在到達地球之前發生了彎折，因此我們(men) 看到的恒星的位置將偏離它們(men) 的實際位置，具體(ti) 而言，位移值是 1.74 角秒。

　　早在相對論全部完善之前幾年，愛因斯坦就提出了這樣的預言，但是在戰爭(zheng) 年代組織一場日食觀測何其困難。德國和美國的天文學家至少三次嚐試進行觀測，但總是因為(wei) 天氣原因而無法拍攝。最倒黴的是 1914 年 8 月那一次，埃爾溫·芬萊-弗羅因德裏希（Erwin Finlay-Freundlich，1885-1964）和威廉·華萊士·坎貝爾（William Wallace Campbell，1862-1938）去往俄國準備拍攝，這時候德國對俄國宣戰了。於(yu) 是日食還沒開始，俄國就逮捕了來自德國的弗羅因德裏希，要求交換被俘虜的士兵。

　　坎貝爾是美國人，得以留下拍攝，卻碰上了陰天。日食結束後，他迅速撤離了俄國，連帶來的珍貴儀(yi) 器都沒有運走。

　　坎貝爾當時擔任裏克天文台台長，他差一點就能證實相對論。圖片來源：Wikipedia 

　　在英國，愛因斯坦的論文經荷蘭(lan) 偷運過來，到達當時的英國皇家天文學會(hui) 秘書(shu) 長愛丁頓的手上。愛丁頓對此很感興(xing) 趣，他設法克服當時國內(nei) 激烈的反德情緒，將愛因斯坦的工作介紹給同行，並著手準備這次日食觀測。

　　此時一戰已經接近尾聲，局勢十分緊張。愛丁頓信奉貴格教，反對戰爭(zheng) ，一再申請免服兵役，差點因此被送進監獄。他的同事兼好友弗蘭(lan) 克·戴森（Frank Dyson，1868-1939）也出麵為(wei) 他求情，試圖用國家榮譽說服軍(jun) 方。

　　愛丁頓可以說相當走運，他在最後關(guan) 頭被免除兵役。接下來，在 1918 年 11 月 11 日，一戰結束了。愛丁頓與(yu) 同事們(men) 立即準備前往普林西比島，等待那次持續 5 分鍾的的日食觀測。為(wei) 了確保萬(wan) 無一失，他還將另一隊人馬派往巴西的索布拉爾（Sboral），拍攝備用照片。

　　這次拍攝很順利。到 1919 年 11 月，愛丁頓團隊在倫(lun) 敦召開新聞發布會(hui) 。遠在德國的愛因斯坦躺在病床上，通過荷蘭(lan) 的轉播得知了這一消息。

　　一戰結束多年後，愛因斯坦和愛丁頓才首次會(hui) 麵。圖片來源：SCIENCE PHOTO LIBRARY 

　　尋找引力波 

　　這次日食觀測兩(liang) 年後，愛因斯坦被授予諾貝爾物理學獎，卻不是因為(wei) 相對論，而是表彰他“對理論物理的貢獻，尤其是對光電效應的理論解釋”。這個(ge) 獎發得有些尷尬：此時愛因斯坦早已聲名鵲起，提名的呼聲很高；但廣義(yi) 相對論仍然沒有完全被證實，隻好另外找個(ge) 由頭給他頒獎。

　　除了日食之外，廣義(yi) 相對論還預言了引力紅移和引力波的性質。引力紅移指光的波長隨引力場增強而增加，向紅端移動的現象，因此同一種元素在恒星上產(chan) 生的光譜線要比在地球上產(chan) 生的光譜線更“紅”，這一現象直到 1925 年才被觀測證實。

　　至於(yu) 引力波，愛因斯坦一度懷疑它是否存在。在他去世六十年之後，引力波才被人類首次捕獲，觀測結果於(yu) 2016 年得到證實。如今，美國激光幹涉引力波天文台（LIGO）和意大利的 Virgo 天文台仍然在仰望著夜空。它們(men) 已經捕捉到雙黑洞並合或雙中子星並合產(chan) 生的引力波，最新的一些觀測數據還沒有完成分析，天文學家認為(wei) 那可能是黑洞吞噬中子星產(chan) 生的信號。如果這個(ge) 猜想最終被證實，那麽(me) 它將成為(wei) 相對論帶給我們(men) 的又一個(ge) 驚喜。

　　在大眾(zhong) 文化中，愛因斯坦的形象已經成為(wei) 科學的象征。圖片來源：Wikipedia 


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