1919年日全食觀測與廣義相對論的初步驗證

愛因斯坦提出廣義相對論

美籍德國科學家愛因斯坦是公認的20世紀最偉大的科學家。他最初沒有受過名師的教誨，沒有從事科學研究的條件，在蘇黎世工業大學畢業以後約1年左右，才找到了一份瑞士專利局的工作。1905年作為公務員的愛因斯坦在科學上取得豐碩的成果，在物理學三個領域裏齊頭並進，三篇“諾貝爾獎”水平的論文同時打響。其中一篇被稱為“狹義相對論”的論文開創了物理學的新紀元。

1915年愛因斯坦又完成廣義相對論，非常完美地把相對論理論推廣到普遍的情況。但是，其觀念之新，數學方法之難，讓人們難以理解。當時，牛頓的萬有引力理論已經深入到物理學和天文學的各個研究領域，被認為是正確無誤的。可是，廣義相對論卻認為，萬有引力不是一般的力，而是時空彎曲的表現。比如牛頓力學認為月球繞地球運轉是因為月球受到地球引力的吸引，但廣義相對論則認為是地球的質量扭曲了附近的時空，月球在彎曲時空以最自然的方式運行，走出了一條繞地球運轉的曲線。就如火車沿鐵軌運行一樣，當鐵軌變彎曲後，火車自然沿彎曲的鐵軌運行。這種全新的觀念，不僅很難被普通人所理解，當時連很多物理學家都加以反對。

為了證明廣義相對論的正確，愛因斯坦求助于天文學觀測，提出了三個可以用天文學觀測來驗證的廣義相對論效應。首先愛因斯坦用廣義相對論解決了長期懸而未解的水星近日點附加進動問題，計算結果與觀測符合得很好；第二個效應是預言了光線在太陽引力場中會彎曲；第三個是預言恒星發出的光譜譜線由于強大引力的作用會使其波長變長，也就是發生引力紅移。果然，經過科學家們的努力，愛因斯坦的這幾個預言都得到了驗證，廣義相對論也成為一門新興的學科。

愛丁頓是當時深知廣義相對論偉大意義的少數科學家之一，成為用天文觀測驗證廣義相對論最成功的科學家。

日食觀測和星光彎曲的驗證原理

怎樣才能證實恒星發出的光經過太陽附近會發生偏折呢？我們觀測恒星的光學輻射都是在夜晚，原因是要避開太陽耀眼的光芒，因此不可能觀測來自太陽方向的恒星的輻射。只有在日全食的食既至生光的短暫期間，當月球把太陽圓面完全遮擋的時候，來自太陽方向的恒星才可能被觀測到。但它因為太陽引力場的影響而偏離了實際恒星位置(即夜晚的位置)。這個位置偏離很小。

由于地球公轉引起太陽在天球上的視位置有一個周年運動，即每天的同一時刻太陽在星空背景上的視位置都不同，要移動差不多一度，全年正好移動一周。所以，白天出現在太陽背後的星空，幾個月前或幾個月後，將在夜間出現。因此在幾個月後可以拍下日食時觀測的天區。對比日食時拍下的太陽背後的星空和太陽不存在時的同一星空照片，就可以測量出恒星位置的偏離。

雖然在同一個地點看到日全食的機會很少，但是就全地球來說，大致每三年可以發生兩次日全食，因此天文學家有不算太少的機會驗證星光是否會因太陽的影響而彎曲。在愛因斯坦這個預言提出以前，天文學家已經進行過很多次的日全食觀測，留下了不少日全食時拍下的太陽方向的星空照片，這些照片就像在夜晚拍攝的天空照片一樣。一些學者利用過去的日食期間拍到的恒星位置來尋找恒星的光線偏折的證據，結果很不理想，不能明確地支持愛因斯坦預言的光線偏折理論。當時懷疑廣義相對論的學者比較多，他們就匆忙下結論說，觀測並不支持愛因斯坦的預言。其實，以往的日食觀測資料是不適宜用來檢驗的，因為日食觀測時要使望遠鏡跟著太陽走，而不是跟蹤要觀測的恒星。由于太陽的視運動和恒星的視運動速度稍有差別，導致日食時拍下的照片上恒星的圖像比較模糊，不可能給出精確的位置。

早期的日食驗證實驗

早在1912年10月在南美洲北部有一次日全食，阿根廷C帙rdoba天文臺 準備觀測恒星的光線偏折，但是不巧，日食當天，陰雲密布。之後，第一次世界大戰爆發，從1914年8月開始到1918年11月結束，歷時四年零三個月。這一期間，天文學家仍然積極組織日食觀測，希望驗證或否定愛因斯坦理論。

1914年8月東歐的日食是一次很好的機會，這次日食帶是從東歐的西北到東南。年輕的德國天文學家Erwin Freundlich，決定再作嘗試，驗證愛因斯坦理論。首先是遇到嚴重的經費上的困難，驚動了愛因斯坦。愛因斯坦提供自己的並不富余的經費，Freundlich又與其他國家的天文學家聯係，尋求合作，以取得經費上的支持。他得到唯一的支持來自美國天文學家坎普貝爾(Campbell) 和美國裏克天文臺組成的觀測隊。後來，柏林科學院也提供額外的經費支持。

日食預期發生在8月21日，德、美日食觀測隊選擇俄羅斯靠近基輔的地方扎營。不幸的是，1914年8月1日，德國決定向俄國宣戰，這些觀測日食的德國天文學家成為俄國人的戰俘。俄國把年長的天文學家強制驅逐出境，而把年輕隊員投入戰俘營。雖然俄國允許美國天文學家留下來觀測日食，但是天公不作美，日食那天烏雲密布。坎普貝爾後來寫道，我第一次感覺到，雲彩讓觀測日食的天文學家如此的失望。

1918年6月美國的日食又給天文學家一次機會，還是因為受雲彩的影響，坎普貝爾的觀測隊只獲得很少的照片，資料處理結果表明，不能證實愛因斯坦的光線偏折，這使懷疑愛因斯坦理論的人，包括坎普貝爾非常高興。