在100年前他们用5分钟证明了相对论

1919年5月29日，在非洲西海岸的普林西普岛，英国天文学家阿瑟·爱丁顿(1881944)观察了一次五分钟的日食，并拍摄了人类历史上最重要的日食照片。经过六个月的数据分析，他们在伦敦举行了一次新闻发布会，并立即成为世界头条:阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)赢得了他的相对论的胜利。

相对论是人类历史上最成功的引力理论。自100多年前诞生以来，它的预测从未失败过。更重要的是，它颠覆了人们长期以来认为空间和时间客观存在的信念，从而对哲学乃至大众文化产生了影响。

爱丁顿拍摄的一张日食照片后来出现在1920年出版的一篇论文中。来源:*

光有速度吗？

相对论的故事从光速开始。在它诞生之前，物理学中关于光的讨论已经持续了300年。

根据爱因斯坦的理论，真空中的光速是宇宙中最快的速度。现在我们知道速度大约是每秒30万公里。然而，也许这是因为在日常生活中很难感觉到光速的存在。过去，人们通常认为光速是无限的。

在17世纪，伽利略(1561642)是第一个尝试测量光速的人。他让两个观察者每人举一盏灯。甲先点燃了灯，乙看到后点燃了自己的灯。然后他计算了A和b之间的时间差。受当时实验条件的限制，他没有成功——即使他们相隔一英里(约1.6公里)，测量结果与他们在一起时的结果相似。

17世纪末，科学家再次尝试测量光速，这一次是在地球上观测时借助木星的月食。丹麦天文学家奥勒·罗默(1641710)发现，当地球离木星的距离不同时，欧罗巴食物出现的时间也不同。当距离很远时，欧罗巴食物出现的时间较晚，相差约10分钟。这表明欧罗巴反射的光到达地球需要更长的时间。罗默认为这一现象证明了光速是有限的。

测量光速的示意图。当地球从l点移动到k点时，第一个木卫食物出现的时间比根据计算周期计算的时间晚几分钟。罗默认为这是光通过lk的时间。另一方面，当地球从f点移动到g点时，木质食物的出现时间比计算结果要早。来源:罗默1676年的论文，*

像所有新理论一样，这个结论没有被立即接受。到1728年，哥本哈根发生了当地历史上最大的火灾，摧毁了罗默的许多观察。

火灾前一个月，在北海的另一边，英国天文学家詹姆斯·布拉德雷(1691762)更精确地测量了光速。布拉德利进一步估计，阳光到达地球的时间为8分13秒，与现代观测结果仅相差几秒。

水波还是粒子？

光速的测量回答了一个问题，但也提出了更多的问题:光是如何传播的？不同介质中的光速会发生什么变化？

同样在17世纪，物理学家研究了光的本质。荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯(1629-1695)认为光是一种波，它像水波一样在“以太”中传播。像当代科学家一样，他认为以太是一种充满所有空间的流体。地球可以围绕太阳旋转，因为太阳驱动着以太的旋涡。

波动理论可以解释光的反射和折射，但它不能很好地解释为什么光以直线传播。当时，伊萨克·牛顿(1621727)提出了一个完全不同的理论。为了解释棱镜实验的结果，牛顿指出，光应该是一种粒子，当光通过棱镜时，会画出一条曲线，就像网球向外倾斜一样。(今天我们更加熟悉足球比赛中的“香蕉球”现象。)

这两种理论在解释光速变化上有所不同:波动理论认为光在折射率较大的介质中速度较小，而粒子理论则持相反的结论。直到19世纪中叶，科学家才通过实验测量不同介质中的光速，最终推翻了粒子理论。

最著名的“失败”实验

但波动性表示，它尚未完全获胜。那时，波动理论的解释依赖于以太的存在，但是以太是什么样的呢？

19世纪的物理学家并不怀疑以太的存在，但是在解释它的本质时遇到了许多困难。例如，偏振表明光具有相对于传播方向的横向振动，这表明以太网是弹性固体，因为这种现象在弹性流体如空气中不会发生。然而，如果以太网是固体，行星如何通过它？

为了测试乙醚的性质，著名的迈克尔逊-莫雷实验于1887年在克里夫兰进行，由阿尔伯特·迈克耳孙(1851931)和爱德华·莫利(1838-1923)设计。这个实验的原理很简单:如果地球在以太中运动，那么当光沿着以太运动时，它的速度应该比逆行的速度快，就像顺流而行更容易一样。

为了确保实验装置处于水平和稳定的位置，迈克尔逊和莫雷把它放在一个漂浮在水银中的大理石板上。它们让一束光从光源(A)开始，穿过半透明分光镜(B)，与光传播方向成45度角。透镜允许一些光直接通过，而另一部分光被反射分别到达两个反射镜(C，D)。如果光束到达两个反射镜并在不同的时间返回，就会出现相位差，最终在中间形成干涉条纹。随着仪器的旋转，光路和以太网流向的相对位置发生变化，干涉条纹也随之移动。

迈克尔逊-莫雷实验原理图。来源:*

然而，尽管多次实验，迈克尔逊和莫雷没有发现任何明显的干涉条纹的运动。在当时的实验物理学家看来，实验结果证明了以太相对于地球是静止的，这使他们非常困惑。

20世纪初，绝对温标的发明者开尔文说:“两朵乌云...掩盖了将光和热确定为运动形式的动力学理论的美丽和清晰。”其中一个乌云指的是黑体辐射，另一个是迈克尔逊-莫雷干涉实验，该实验尚未找到理想的解释。

突然冲击

1895年，荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹(1851928)根据当时电磁学的研究成果做出了一个大胆的假设:如果物体本质上是由电磁力组合而成的，那么当物体在电磁波中运动时，它们可能会沿着运动方向缩短。经过复杂的计算，洛伦兹提出洛伦兹变换来解释不同参考系中运动的转换关系。

1921年，爱因斯坦和洛伦茨。来源:*

洛伦兹非常接近狭义相对论，但他没有放弃以太。其他实验物理学家也没有放弃。他们试图用更灵敏的仪器或在更高的高度重复这个实验。

为什么那个时代的物理学家固执地相信这种难以捉摸的物质的存在？今天我们可能会发现这很难理解，但是在20世纪，否认以太可以说是否认物质和时间的永恒。以太的存在意味着一个假设，即存在一个绝对客观且不可改变的空间参考系统。从哲学的角度来看，物质占据固定的空间，时间以固定的速度流逝，这是人类对世界的内在理解。

爱因斯坦第一次意识到绝对空间和绝对时间的概念是虚构的，受人类经验的限制。事实上，统一系统的观测结果取决于观测者的位置，同一系统中的观测者和另一系统中的观测者看到不同的东西。换句话说，时间和空间不是绝对的，而是与观察者相反的。

至于不可见和不可触摸的以太，人们只需要承认空间有能力传输电磁波，并可以放弃对以太的依赖。爱因斯坦和他的合作者后来在书中写道:

“我们让以太网成为现实的所有努力都失败了。它既没有显示它的机械结构，也没有显示它的绝对运动。除了以太网发明时赋予它的一个特性，即传输电磁波的能力，没有其他特性。我们努力去发现以太的本质，但是我们所有的努力都导致了困难和矛盾。在经历了这么多失败之后，现在是彻底放弃以太网、不再提及其名称的时候了。”

物理学的进化

在洛伦兹变换的基础上，爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，然后在1915年提出了广义相对论。

伟大的五分钟

如何验证相对论的正确性？在许多方面，相对论的推论与牛顿力学大致相同，只有在宇宙的尺度上，两者才会有分歧。有几个关键现象可以成为检验这一新理论的试金石，其中之一就是日食。

根据爱因斯坦的理论，当光通过重力场时，路径会弯曲。当发生日食时，太阳附近的恒星将不再被太阳光覆盖，由于太阳引力的作用，恒星发出的光将在到达地球之前弯曲，所以我们看到的恒星的位置将偏离它们的实际位置，具体地说，位移值是1.74角秒。

早在相对论完全完善的几年前，爱因斯坦就做出了这样的预测，但在战争年代组织日食观测是极其困难的。德国和美国的天文学家已经尝试了至少三次观测，但由于天气原因，他们总是无法拍摄。最糟糕的是1914年8月，当德国向俄罗斯宣战时，欧文·芬利-弗伦德里奇(1881964)和威廉·华莱士·坎贝尔(1861938)去俄罗斯准备拍摄。所以在日食开始之前，俄罗斯逮捕了来自德国的弗罗因德·里什，并要求交换被俘士兵。

坎贝尔，一个美国人，能够留下来射击，但是天气多云。日食结束后，他很快从俄罗斯撤出，甚至没有带走他带来的珍贵仪器。

坎贝尔当时是里克天文台的主任。他几乎证实了相对论。来源:*

在英国，爱因斯坦的论文通过荷兰被走私到当时的英国皇家天文学会秘书长爱丁顿。爱丁顿对此非常感兴趣。他设法克服了当时国内强烈的反德情绪，向同事们介绍了爱因斯坦的工作，并开始为日食观测做准备。

此时，第一次世界大战即将结束，形势非常紧张。爱丁顿信仰贵格会宗教，反对战争，并多次申请免服兵役。为此他差点被送进*。他的同事和好朋友弗兰克·戴森(1868-1939)也为他求情，试图以国家荣誉说服军队。

爱丁顿可以说是非常幸运的，他在最后一刻被免除了兵役。接着，在1918年11月11日，第一次世界大战结束了。爱丁顿和他的同事们立即准备去普林西普岛等待5分钟的日食。为了确保安全，他还派了另一个小组去巴西的斯伯拉尔拍摄备份照片。

拍摄进展顺利。到1919年11月，爱丁顿团队在伦敦举行了一次新闻发布会。远在德国的爱因斯坦躺在医院的病床上，通过荷兰广播得知了这个消息。

第一次世界大战后的许多年，爱因斯坦和爱丁顿第一次相遇。照片来源:科学图片库

寻找引力波

日食观测两年后，爱因斯坦被授予诺贝尔物理学奖，不是因为相对论，而是为了表彰他“对理论物理的贡献，尤其是对光电效应的理论解释”。这个奖项有点尴尬:爱因斯坦已经出名了，提名呼声很高。然而，广义相对论还没有被完全证实，所以我们必须找到另一个来源给他颁奖。

除了日食，广义相对论还预测了重力的红移和引力波的性质。引力红移是指光的波长随着引力场的增加而增加并向红移端移动的现象。因此，恒星上相同元素产生的谱线比地球上产生的谱线更“红”。这一现象直到1925年才被观察证实。

至于引力波，爱因斯坦曾经怀疑过它们的存在。他死后60年，引力波首次被人类捕捉到。观察结果于2016年得到证实。今天，意大利的LIGO和处女座天文台仍在仰望夜空。他们已经捕捉到了由双黑洞或双中子星合并产生的引力波。最新的观测数据尚未分析。天文学家认为这可能是黑洞吞噬中子星产生的信号。如果这个猜想最终得到证实，它将成为相对论带给我们的又一个惊喜。

在大众文化中，爱因斯坦的形象已经成为科学的象征。来源:*

他们在100年前的今天，用5分钟证明了相对论