阿尔伯特·爱因斯坦在1915年完成了他的广义相对论。这一理论改变了我们对艾萨克·牛顿所创立的空间、时间和引力概念的认识。广义相对论预测出,由于太阳的引力以及空间和时间的性质,从遥远的恒星射向我们的光线在经过太阳附近时会发生弯曲。对这一现象进行的天文观测证实了这个预言。这个结果发表后,在科学界和公众中引起了极大的轰动,爱因斯坦在一夜之间成为了超级巨星。
1919年11月7日,英国《伦敦时报》发表了一篇震惊全世界的新闻文章,标题为“科学的革命——新的宇宙理论——牛顿的观点被驳倒”。这篇文章报道了同年早些时候两支探险队进行的天文观测结果,一支位于非洲西海岸附近的普林西比岛,另一支位于巴西的索布拉尔市。这两个地方,可以在同一天观察到同一场日全食。这些观测意在检验爱因斯坦广义相对论的预测之一。
爱因斯坦声称,来自遥远恒星的光线会在它们经过太阳前往地球的途中弯曲。
1905年是犹太裔德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦科学生涯中最富有成效的一年。在这一年,他提出了狭义相对论。这个理论基于两个假设:首先,该理论仅适用于以相对恒定速度运动的系统。第二个假设则是,光的传播过程与其他物体的运动行为是不同的。光速始终是恒定的——它不依赖于光源的速度或观察者的速度。
爱因斯坦狭义相对论中的距离和时间概念,与英国数学家、物理学家艾萨克·牛顿提出的世界观大相径庭。根据牛顿的理论,空间和时间是独立且绝对的——时间和空间距离的测量结果与观测者的运动状态无关。
狭义相对论有两个主要的局限性:第一,该理论只涉及匀速运动的系统;它没有考虑加速运动——即速度有所加减的运动,或者像旋转木马一样改变方向的运动。
第二,狭义相对论没有考虑万有引力,也就是使月球在围绕地球的固定轨道上、使行星在围绕太阳的轨道上平稳运行的向心力。在完成了狭义相对论之后,爱因斯坦开始寻找一种能够摆脱这两个限制的理论。经过10年的探索,他最终提出了广义相对论。这一理论的主要思想是,引力——即两个物体之间的吸引力——并不如牛顿理论中所述的力,而是空间自身的特征,或者更准确地说,是空间和时间的特征。
1913年,爱因斯坦致信天文学家乔治·黑尔,后者是全美最大的天文台威尔逊山天文台的主任。爱因斯坦询问黑尔是否有办法在白天观察太阳附近的星星。黑尔回答说,观察这些星星的唯一机会是在日全食期间。1919年5月29日,研究人员终于获得了另一次机会。那时,爱因斯坦已经完成了广义相对论的创建,并据此预测出,最终的光线弯曲程度比他之前假设的结果大一倍。如前所述,这些观测数据来自于索布拉尔和普林西比两个地方。
在利用当时仅有的资源对观测结果进行了几个月的分析(这不是一项简单的任务)之后,探险队的负责人阿瑟·爱丁顿和查尔斯·戴维森,以及皇家天文学家弗兰克·戴森爵士宣布:“索布拉尔和普林西比的观测结果几乎毫无疑问地表明,太阳的确能够弯曲周围的光线,而且其曲率与爱因斯坦的相对论所给出的结果一致”。
1919年的日食观测意义非凡。
它不仅证实了爱因斯坦的广义相对论,而且还帮助科学家了解到一种很有价值的天文现象,即引力透镜效应,它可以帮助科学家们研究宇宙。光在经过太阳附近时,其弯曲程度非常小。但质量大得多的物体,如黑洞甚至整个星系,会造成更强烈的弯曲,以至于我们可以利用望远镜看到这些大质量天体背后的光源。爱因斯坦早在1912年就注意到了引力透镜的可能性,但他直到24年后才发表了他的想法和相关计算。
这篇报道英国探险队成功消息的文章,在科学界激起了很大的兴奋。它也引发了公众的热情,这种情绪也因时代特殊而被放大了:第一次世界大战夺去了数百万受害者的生命、并造成了严重的破坏,而这篇文章恰恰发表于战争刚刚落幕的几年后。这篇报道英国探险队成功消息的文章,在科学界激起了很大的兴奋。
它也引发了公众的热情,这种情绪也因时代特殊而被放大了:第一次世界大战夺去了数百万受害者的生命、并造成了严重的破坏,而这篇文章恰恰发表于战争刚刚落幕的几年后。