爱因斯坦广义相对论是如何被验证的
The following article is from 赛先生 Author Hanoch Gutfreund
Frontiers for Young Minds期刊网站上线的一篇最新文章，题为The Solar Eclipse That Validated Einstein's Theory of Relativity（验证了广义相对论的日食观测）。文章介绍了科学史上最重要的里程碑之一，它增进了现代人类对宇宙的理解。《赛先生》获Frontiers for Young Minds官方授权翻译了这篇文章，分享给中文读者。
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。
本文作者Hanoch Gutfreund，还对一份独一无二的爱因斯坦手稿的重要性给出了令人振奋的见解。这份手稿于2021年11月被拍卖，其中展示了爱因斯坦和他的终身好友米歇尔·贝索是如何一起研究爱因斯坦于1913年发表的一个初步理论的结果的。他们的工作成果帮助爱因斯坦在2年后完成了他的广义相对论。点击文末阅读原文可了解更多详情。
一个戏剧性的公告
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。
对弯曲光线的观察是如何支持爱因斯坦的理论，并改变人们对空间、时间和引力的认识呢？让我们先来介绍一些背景。
狭义相对论
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。举一个简单的例子：一个人坐在一节火车车厢里。车窗被遮住了，车厢内也听不到车轮在轨道上的行驶声音。如果火车匀速行驶，则车上的人无法通过任何实验来确定火车的速度，或者判断它相对站台是在移动还是静止。
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。例如，当我开车在路上行驶，被问到我旁边的车有多快时，答案取决于我的车速。如果邻车车速与我的车速相同，那么它相对于我的车似乎是静止的。但是，如果我开得慢一点，另一辆车看起来就会比我快，并逐渐跑在我的前面。爱因斯坦的深刻见解是，光的行为与此不同——光的速度与观测者的运动状态以及发光光源的速度无关。
这听起来是不是很奇怪？还有更奇怪的！根据这两个假设，如果两个处于相对运动中的人测量同一个物体的长度，他们会得到不同的结果！此外，如果他们测量两个事件发生的时间间隔，他们在测量结果上也不会达成一致；他们甚至可能在哪个事件更先发生上产生分歧。距离、时间和事件的同时性的测量是相对的，这意味着测量结果取决于观测者的运动状态。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。
狭义相对论的著名结论之一是，质量和能量是相互等价的——最著名的科学公式E=mc2 便代表了这个结论。其中，E代表能量，m代表质量，而c是光速。根据这个公式，少量的质量可以转化为大量的能量。在提供核能的反应堆中，这个过程以一种可控的方式发生。在原子弹中，它则以不受控的方式发生、造成灾难性的爆炸。在太阳的核心，四个氢原子核在一个复杂的过程中融合在一起，成为氦原子核。一个氦核的质量比四个氢核的质量略小一些。融合过程中所损失的质量转化成能量，便成为了太阳的能量来源，进而也是地球上生命的来源。
广义相对论
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。在爱因斯坦的新理论中，空间和时间被合并为“时空”。在牛顿的理论中，空间和时间是所有物理过程发生的“舞台”。而在爱因斯坦的理论中，空间和时间会参与这些物理过程，并受其影响。根据爱因斯坦的观点，宇宙中具有较大质量的物体，如行星和恒星，会使它们周围的时空发生弯曲。这意味着，在宇宙中运动的物体和光线是在弯曲的时空中运动的。这个概念很难用容易理解的方式来解释。即使是专门研究这种现象的物理学家，也可能难以想象出弯曲的时空。这些概念最好用数学语言来描述，使用数学家早在19世纪就开发出的方法。利用这些方法，爱因斯坦在1915年发现了描述质量对时空结构影响的方程，以及由此影响而产生的运动方程。这些方程是爱因斯坦最伟大的成就，是我们彻底了解宇宙——它是如何开始的、如何发展的、以及它的结构是什么——的基础。
对一次日食的观测验证了爱因斯坦的理论
当爱因斯坦刚开始发展他的广义相对论时，就已经知道，光束在太阳附近会被弯曲。甚至在他得出最终的理论之前，爱因斯坦就曾计算了这些光束的弯曲程度，但他得到的结果比正确的数值小一倍（尽管当时他并不知道）。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。
你可能不明白为什么验证爱因斯坦的理论需要一场日食。我们首先要意识到，要想看到太阳引力对来自遥远恒星的光线的影响，太阳必须位于我们和要观测的恒星之间——也就是说，观测只能在白天进行。但是通常情况下，在白天是不可能看到星星的，因为太阳太亮了！但是，在日食期间，天空一片漆黑，那些星星就可以被看到了。之所以会发生日食，是因为月球绕地球运行的轨道平面相对于地球绕太阳运行的轨道平面是倾斜的（译者注：倾斜4.99-5.30°）。有时，地球、月球和太阳相交的路径会形成一条直线。在这种情况下，月球会遮住太阳，导致日食。不过月球太小，无法在整个地球上投下阴影，因此地球上有些地区会发生日全食，而在其他地区则只有日偏食。
爱因斯坦推断，如果天文学家比较日食期间（太阳在地球和恒星之间）拍摄的恒星照片与夜间（太阳不在地球和恒星之间）拍摄的相同恒星的照片，恒星出现的位置应该看上去有所偏移。如果两张照片中恒星的位置不同，就意味着太阳的引力场使得从这些恒星发出的光线发生了弯曲（图1）。
图1：当来自遥远的恒星的光线经过太阳的引力场时，光线会发生弯曲。地球上的观察者则会看到，当太阳在恒星光线的路径上时，与太阳不在光线的路径上相比，恒星的位置会发生偏移。
1914年8月21日，一支德国天文探险队计划在俄罗斯克里米亚地区的日全食期间进行观测。但随后第一次世界大战爆发，探险队被俘，装备也惨遭没收。
在1919年5月29日，研究人员终于获得了另一次机会（图2）。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”。广义相对论的这项预测，被两个相距甚远的地点的独立测量所证实，极大程度地说服了科学界相信这个理论的正确性。
图2：1919年的日食和它周围的星星。将这张照片中看到的星星的位置与太阳在天空中不同位置时拍摄的照片进行对比。通过这种手段，研究人员发现，星星的位置似乎发生了变化。这种现象的原因是太阳引力使恒星的光线发生了弯曲，如图1所示。
爱因斯坦的理论带来的影响
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。这篇文章提醒人们关注人类大脑的智慧，并展示了科学领域是可以进行国际合作的。这唤起了新的希望。公众对爱因斯坦的兴趣和钦佩之情高涨，他在一夜之间成为了超级巨星。直到生命的最后一刻，爱因斯坦一直坐拥这样崇高的地位，在今天仍然广为人知、受人尊敬。
本文5月19日首发于《赛先生》（ID：mrscience100），经授权转载。赛先生由非营利公益组织北京市海淀区智识前沿科技促进中心主办，我们怀揣着“玩透科学，启迪人生”的信念，希望通过有科普性、解说性、教育性的多媒体内容，点亮更多的普通公众对科学的热情。
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编辑/刘晋国
审核/范 杰