1919年5月29日,加勒比海上的一片阴影正创造着历史。当新月完全遮挡住太阳的时候,物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿所带领的一群天文学家正忙着测量被遮挡住的太阳旁显现出星光的比之前偏移了多少。最终的观测结果与4年前阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论中的预言精确吻合,作为“科学界的革命”登上了当年11月的《泰晤士报》的头条。
故事或许先要从1915年11月25日说起。当时爱因斯坦刚刚发表了一篇只有3页的论文,标志着一个崭新的理论建构完成。在新的理论,即广义相对论中,他重新审视了重力的作用。在他十年前提出的狭义相对论中,这个年仅26岁的物理学家就已经发现物体长度和某项事件持续时间的长短并不是绝对的,它取决于观察者与物体或事件之间相对运动的速度,除此之外,他还预言了质量和能量二者可以相互转化的关系。
狭义相对论只适用于匀速运动的系统。在广义相对论中,爱因斯坦把他的想法扩展到了包括加速运动和引力在内的系统。他将时间和空间结合为一个四维弯曲的时空,并得出引力决定时空的几何形状这一结论。我们通过一个例子来阐明广义相对论中最重要的部分:想象我们有一块并不牢固的垫子,如果在上面放一个保龄球,垫子显然会深深地陷下去。
这时如果有一个玻璃球从远处以一定的速度滚过来,当经过保龄球附近时,因为垫子的凹陷,它就不再笔直地朝着它前进的方向滚动,而在压缩的边角处做曲线运动。如果玻璃球速度不够,它就会一直留在由保龄球创造的“井”中。
现在我们将实验地点移到宇宙中,垫子便是时空,保龄球是太阳,而玻璃球就是行星。根据爱因斯坦的理论,并不是行星“被太阳吸引”,而是太阳的巨大质量使得时空出现了凹陷,导致行星做曲线运动。
爱因斯坦在很早的时候就意识到了这种现象不仅只在行星和大尺度天体运动上有所表现,光的运动也会受到引力的影响而发生弯曲。然而爱因斯坦绝非第一个探索大质量天体是如何影响光路的人。早在1783年英国牧师约翰·米切尔就根据牛顿的光粒学说,提出光也会受到引力的影响而不一直沿直线传播。米切尔甚至更进一步描述了这样一种天体,它的质量之大会让本身发出的光落回到星球表面。
这位自然哲学家口中的“大家伙”便是我们现今称之为黑洞的原型。
最终在1801年,后来成为了慕尼黑天文台负责人的约翰·格奥尔格·冯·索尔德纳发表了名为“光从大天体旁经过会受其吸引而偏离直线传播”的文章。他计算出了当遥远星体发出的光靠近太阳时的偏移导致星体表观位置发生的改变,为0.875角秒,大概相当于从5公里外看一欧元硬币的宽度。然而爱因斯坦不知道慕尼黑天文学家的研究。
他在1911年也一直在研究光因太阳发生偏移的问题,最终他的计算结果为0.83角秒,与索尔德纳发现的数值非常相近。而后他便提议用事实检验自己的理论,即在日全食之日通过测量光的表观偏离角度来验证。
1919年5月29日,机会来了。天文学家们认为西属几内亚的普林西比岛和巴西北部的索布拉尔便是此次观测的最佳地点。
值得注意的是,带领两支远征队去验证一名德国教授的理论的,竟是两名英国物理学家,要知道当时世界仍处于一战的硝烟弥漫中。1917年,爱因斯坦成为了最初由马克斯·普朗克建立的威廉皇帝物理研究所的负责人,尽管他工作的地点一直在自己柏林家中的阁楼上。但好景不长,仅仅5年后,爱因斯坦就受到了来自德国纳粹的死亡威胁,并于1922年10月离开了德国,将该研究所的领导权交给了物理学家马克斯·冯·劳厄。
1919年11月7月,伦敦《泰晤士报》发表了一篇题为“科学革命:新的宇宙理论推翻了牛顿的观点”的文章。《纽约时报》也在11月10日的头版写到“天之光倾斜”。相较于兴奋过度的外国报社,德国本地的媒体对于此事则缄口不言。
直到1919年12月14日,《柏林画报》周刊的封面才刊登了爱因斯坦的照片,并配上这样的标题:“世界历史上的新伟人:阿尔伯特·爱因斯坦,他的研究完全颠覆了我们看待世界的方式,他的发现堪与哥白尼、开普勒、牛顿比肩。”一个物理学家突然一夜成名,各种各样的追捧也接踵而至,这着实烦透了爱因斯坦。据说他梦见一名像恶魔一样的邮递员,他不管你手头有多少信件还没有打发完,源源不断给你送来一批又一批。
他写信向他的同事马克斯·波恩抱怨说:“赶快让我做点合适的工作吧,在这实在是可怕得让人窒息。”