七、通向广义相对论之路(4)

爱因斯坦花了很大力气寻找一种简洁而优美的解决办法。他坚信宇宙是静态的,因此除了时间变化,其他一切都是不变的。这一假设至少现在还是正常的,直至目前还没有找到证实宇宙非静态的实验性证据。但是当研究进行到这一步,爱因斯坦遇上了麻烦,无论他付出多大的努力,该项研究始终没有明显进展。一直到1917年,他终于找到了解决之道。从先前得出的关于能量与质量相互转换的方程式中,他发现可以在其中添加一个新的项,即现在众所周知的宇宙常数。他把这个新进展总结在题为《广义相对论的宇宙学应用》的一篇论文中。在文中他提出如果没有宇宙常数,宇宙是静态的这个假设就不成立,引力会导致宇宙走向崩溃。宇宙常数抵消了引力,就像牛顿运动力学中的反作用力似的。此后的几十年里,天体物理学家一直错误地认为宇宙常数必须等于零,爱因斯坦自己也认为宇宙常数是他“一生最大的错误”。然而,现在对宇宙最合理的描述中可以得知,我们所处的宇宙中,爱因斯坦的宇宙常数并非为零。也许爱因斯坦一生最大的错误不在于创造宇宙常数,而在于后来居然否定了宇宙常数,认为其为“一生最大错误”的错误!

爱因斯坦发表1917年的论文后不久,伟大的荷兰天文学家威廉·德西特找出了爱因斯坦方程的另外一种解法。这事可非同寻常,因为不但使德西特本人的宇宙认识得以改进,而且德西特还把这一结果告知英国皇家学会。英国皇家学会也是世界上顶尖科学们常常聚会的地方,正是通过德西特的信,英国为首的英语国家才开始对广义相对论渐渐了解。英国皇家学会的秘书亚瑟·爱丁顿是一个很有才华的天文学家、理论物理学家和天文观测专家,他后来成为广义相对论在英国最得力的支持和宣传者。他知道广义相对论最终必须通过实验验证,他认为最好的实验验证莫过于观测星光在通过大质量天体时是否会产生偏斜现象。爱因斯坦和弗里德里希也几乎在爱丁顿同时各自形成类似的想法。当时,许多实验学家们已开始着手试图测定引力作用下的红移现象,不过这些尝试却因技术上的难度或结果经不起推敲而大都陷入困境。而对于爱丁顿的验证方法技术上简单得多,只需要观测一个遥远的星体的光线通过太阳附近时光线运行路线有无偏斜即可。关键在于必须先把太阳挡住,使星光不至于淹没在明亮的阳光中。这就意味着日全食的时候将是进行爱丁顿设想的观测的最佳时机。1919年5月29日在西非就有这样一个绝好的机会,而且恰巧太阳正处于毕宿星团中,是离地球最近的星团,而且星团中有好几颗明亮的星星,在日食时都可以成为观测对象。

爱因斯坦已知道这次天文观测的重要性,此前弗里德里希于1914年在克里米亚半岛曾试图在那里的日食中拍下一些照片,但因为第一次世界大战的爆发而归于失败。弗里德里希的观测队被敌对的俄国军队当作德军间谍被关押起来。一年以后,即1915年12月,爱因斯坦与同事奥托·诺曼关于广义相对论的通信中写道:“这个结果(光线的偏斜)是所有现象中最有趣最令人惊奇的。”几个星期之内,爱因斯坦给施瓦西说:“(观测)光线偏斜的问题现在具有最高的重要性。”

对1919年日食的观测远比1914年在克里米亚半岛的那次更加成果斐然。英国皇家格林威治天文台,即本初子午线通过的地方,向最佳观测点巴西东北部的索布拉派去专家组,专门观测这次日食。格林威治观测队随队携带天文台的13英寸的大望远镜,同时还从皇家爱尔兰科学院借用了一台4英寸的望远镜以作备用。爱丁顿则带领另一队人马奔赴西非小岛普林西比,携带从牛津天文台借来的望远镜。在日食期间,观测队拍了很多的日食照片,然后两队都必须在原地等到毕宿星团在当天夜空中可见为止,他们可以比较夜空中的毕宿星团与日食时的照片,看星团中星体的位置是否有明显的不同。

9月12日,一个名为“英国科学进步协会”的组织召开了一次会议,来自全世界各地的参加者众多。亚瑟·爱丁顿成为该会的关注的焦点,他在会上宣布他西非日食观测之行的结果:光线的偏斜大约在0.83弧秒与1.7弧秒之间,与爱因斯坦在1911和1915年的预测相符合。后来,英国皇家学会与皇家天文学会共同召开正式会议,到巴西的观测队也公布了观测结果,他们用格林威治天文台13英寸的望远镜测定的光线偏斜大约在1.52弧秒,而用爱尔兰天文台的4英寸望远镜测得1.98弧秒的偏斜。因为格林威治天文台的望远镜在观测时曾发生一些问题,因此爱尔兰天文台那架望远镜所测的1.98弧秒更真实精确些。到普林西比的观测队在另外一篇报告中报告了1.6弧秒的偏斜,这一结果也属于可以接受的范围。这些观测结果不仅是爱因斯坦的胜利,也是英国天文学界的荣光,但是爱因斯坦对此的反应相当平静。这里也有个趣事,有人告知爱因斯坦,他在广义相对论中的预言被证实,他回答说:“我知道这个理论肯定是正确的,难道你对此有怀疑吗?”他也被问及如果天文台观测结果与他理论预言不符他将会怎么做时,他回答说:“可能会为我们亲爱的上帝感到遗憾,但是理论还是一如既往地正确。”倒是麦克斯·普朗克对此结果的期待看起来比爱因斯坦还要紧张。爱因斯坦得知普朗克为此夙夜未眠焦急等待公布结果的新闻,他做了个鬼脸,开玩笑地说,如果普朗克“真的理解广义相对论,他应该跟我一样放心上床睡个好觉”。

爱丁顿和爱因斯坦不久开始写介绍广义相对论的书。爱丁顿的《空间、时间和引力》出版于1920年,三年后又出版了《相对论的数学原理》一书。爱因斯坦则写了《相对论的意义》,其英译本于1922年出版。这三本书成为国际图书销售的畅销书,爱因斯坦1922年的书现在还在不断再版。爱因斯坦逝世前不久重新审定了《相对论的意义》第5版,当地的报纸对此作了报道,并重提普朗克的不眠之夜,冠以大标题《新理论让人们夙夜未眠》。

多年以后,普林斯顿大学的物理学家鲍伯·迪克对日食实验观测的结果进行质疑。他考虑到,如果太阳并非先前所认为的正圆形,而是稍微有点扁,则可能要对先前的观测结果进行修正。作为一名经验丰富的实验大师,迪克着手准备一个实验来检验太阳是否正圆,如果非正圆,那么其偏率对光线偏斜实验的结果有什么影响。实验的结果是没有观测到偏率,迪克的实验进一步证实光线偏移测得的结果的准确性,让爱因斯坦的理论更加牢不可破。

今天,我们已有了光线在引力场下发生弯曲的更好的证明。天文学家已知道在宇宙空间中存在着“黑洞”、中子星和脉冲星,这些天体的引力远比太阳要强大得多,太阳与之相比实在微不足道。通过这些天体的光线,远非仅仅发生稍微偏斜、弯曲而已,其幅度要大得多,乃至于形成一个引力透镜,对光的弯曲就像光通过透镜时的偏斜度一样大,直至将光线完全吞噬,形成了连光线都无法逃逸的黑洞。因此,可以设想,有一块引力透镜在我们与遥远的星系之间,由于光线偏斜得太厉害,甚至能看到星系的多重幻象。天文学家已发现了很多这样的例子,也更进一步证实爱因斯坦的理论,有助于人们寻找宇宙中的黑洞。

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