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| 中外科学家发明家丛书：徐光启 （三） | 发布于:2012/12/31 | |
| 三、广义相对论的倡导者 众所周知，相对论的创立者是爱因斯坦。对于相对论的推广与倡导，则 离不开爱丁顿的贡献。 自从1905年创立了狭义相对论原理，在接下来的10年中，爱因斯坦将 主要精力集中在把牛顿的引力理论同自己的原理一致起来，特别是要满足这 样的要求，即任何信号的传播速度都不能超越光速。在探索的过程中，他经 过了多次的失败，最终在1915年夏季达到了自己的研究目标，创立了广义相 对论。 这一年已是第一次世界大战的第二年，英国与德国又是敌对国，但在科 学界朋友们的协助下，对科学成就最新进展状况极为关注的爱丁顿还是很快 地搞到了爱因斯坦的论文。经过他仔细地阅读并研究，爱丁顿不禁为爱因斯 坦的卓越见解而喝彩。正如爱因斯坦在系统阐述自己理论的最后一段写道“任 何一个人，只要对这一理论有着充分的理解，那么要从不可思议的魔法中逃 脱出来几乎是不可能的”。毫无疑问，爱丁顿此时一定是陷入了这个理论的 魔法之中了；因为在随后的两年时间中，他花了相当大的精力去品味爱因斯 坦的理论，并写下了一篇题为《关于相对论引力理论的报告》的科学论文。 爱丁顿的这篇论文条理清楚、简明扼要。因此直到今天，对于相对论的初学 者来说，仍然是一篇优秀的入门读物。 正是由于爱丁顿对广义相对论的积极投入与热情，使得他的好友与同 事，天文学家戴逊也被广义相对论所牢牢吸引住了。广义相对论的理论精彩 而深奥，它的许多内容只有在一些特定的条件下才能得到验证。例如：在日 食特别是日全食的条件下，通过实地观测就可以解释相对论的部分理论。然 而日全食是一种非常罕见的天文现象，有的人终其一生也未必能亲眼见到一 次日全食。 但令人感到幸运的是，1919年5月29日就有一次日全食发生，它的范 围是在南半球的中纬度地区。所以爱丁顿以及戴逊等科学家不顾潜在的危 险，决定利用这次好机会进行多项科学考察活动；当然，最重要的一项就是 验证广义相对论的理论。在爱丁顿的科学日志中，对于这次考察做了如下的 一段论述： “光线的弯曲影响到出现在太阳附近的恒星，因而，只有当月亮把太阳 耀眼的光辉完全遮去之时，也就是日全食期间才能进行这种观测。即使在那 时候，还是有大量的太阳日冕光线伸展到离日面很远的地方。因此，在观测 时还是需要在太阳附近有一些足够亮的星，它们不会被日冕的光芒所淹没， 这样就可以以它们为参考点进行观测了。 在迷信时代，希望完成一项重要实验的自然科学家往往会去请教占星家 为他的实验确定一个黄道吉日。今天，向星星请教的天文学家则有更充分的 理由宣布：一年中考察光线的最佳日期是5月29日。其原因是太阳沿着黄道 作周年运动，在它所经过的地方恒星的密集程度是不同的，但是在 5月29 日这一天，太阳正好位于非常少有的一片亮星——毕宿星团之中，这是它最 好的星场，比其他的任何地方都要好得多。那么如果是在历史上另外某个时 期提出这一问题的话，也许要等上几千年才能在这个幸运的日子里发生一次 日全食。但我们的运气真是好极了，就在1919年5月29日将发生一次日全 食…… 1917年3月，皇家天文学家戴逊爵士就已意识到这个大好的时机，在他 的建议下，由皇家协会与皇家天文学会组成的一个委员会开始为进行观测做 准备工作…… ……计划始于一战时的1918年，而人们直到最后时刻还在怀疑是否存在 着能使考察队出发的任何可能性，但事实否定了这种怀疑。戴逊爵士在格林 尼治组织了两支考察队，一支奔赴巴西的索布拉尔，另一支则开到西非的普 要西比岛。索布拉尔考察队由克洛梅林博士与戴维逊先生带领；普林西比考 察队则由科丁汉先生和我带领。 在停战之前要仪器制造商完成全部工作是不可能的，而且因为考察队必 须在2月份启航，大量的准备工作急待完成。巴西组日食时的天气是理想的， 最终是由他们提供了最有决定性意义的证明。而普林西比的情况则相当糟， 日食那天层云密布，天上还下着雨，几乎是没有任何希望了。直到接近全食 阶段时，太阳才开始隐隐约约地露面；我们的工作按计划进行，希望情况也 许不会像看上去那么坏。全食终了之前云层一定是变薄了，因为在多次失败 中我们还是得到了两张有我们所需要星像的底片，将它们与太阳处于其他位 置上时对同一星场所拍摄的底片进行比较，这样它们的差异就表示了因光线 在太阳附近经过时的弯曲现象所造成的恒星的表观位移。 以当时我们面前的问题来看，存在着三种可能性。也许光线没有发生任 何偏折，这就是说光线可能不受引力的影响。也许光线出现“半偏折”，这 表示如牛顿所以为的那样光线要受到引力的影响，它服从于简单的牛顿定 律。也可能是“全偏折”，从而证实了爱因斯坦定律而并非牛顿定律。 到底是哪一种呢！为了能够尽快得到问题的答案，我们就立即对其中一 张成功的底片进行了仔细的研究。在天文量度中需要寻找的星数往往是很大 的，所以根据一张底片实际上就应当对问题作出判定；不过当然还要通过其 他底片来加以证实。日食后的第三天，计算工作最终完成了，是“全偏折”， 我知道爱因斯坦的理论经受住了这次考验，这种崭新的科学思想一定会被大 家所接受的。” 1919年11月6日，在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上，戴逊 与爱丁顿就这次考察的科研成果作了报告。会议经过讨论之后，由皇家学会 的会长汤姆逊发表了如下的意见： “事实上，牛顿确已在他的《光学》一书中就光线弯曲现象，以提问的 形式指出了这一点，而根据他的看法大体上应当得出偏值的一半。但是这项 结果并非是一个孤立的结果；它是由许多科学观念构成的某种整体结构的一 部分，并且影响到物理学中的一些最基本的概念。我们这次科学考察的研究 成果，可以称得上是牛顿时代以来，在引力理论方面所取得的最重要结果， 因而把它们放在和牛顿密切有关的皇家学会的会议上来加以宣布，无疑是十 分恰当的…… 如果爱因斯坦的理论是正确的，那就会使我们以一种全新的观点去认识 引力。如果事实能够证明爱因斯坦的推理完全成立——它已经经受了与水星 近日点及这次日全食有关的两次极为严峻的考验——那么它将是人类思想的 一项最高成就的结晶。然而，这一理论也有着它的不足，那就是不易表达出 来。看来，任何一个人要是对不变量理论和变量微积分学没有透彻的了解， 那就无法理解这一新的理论。” 汤姆逊的发言，无疑已经表明了古典力学的大本营——英国科学界已经承认了爱因斯坦广义相对论的正确性。而他所提到的理解广义相对论的“困 难”，在当时以及在很长一段时间内，科学界也都是这样认为。不久，科学 界就流传出了一句话：“全世界只有三个人懂得广义相对论的真正内涵”。 而这三个人中，有一个就是爱丁顿。 在会议的最后，皇家天文学会会长琼斯将两枚金质奖章颁发给戴逊和爱 丁顿时说： “在1918年，也就是大战的最黑暗的年月里，格林尼治天文台与剑桥大 学各自筹划了一支考察队，以便在时间到来之际，如果世界形势许可的话就 去观测1919年5月的日食，目的是对爱因斯坦的广义相对论进行一次有决定 性意义的检验。1918年11月，停战协定签字，大战结束，考察队出发了。 而他们归来时所带回的消息和研究成果，从根本上改变了天文学家、物理学 研究成果，从根本上改变了天文学家、物理学家关于引力本质的概念，也改 变了普通人对他们所生活的这个世界在本质问题上的概念，而且这种改变是 无可挽回的。 如果这一成就的荣誉必须在戴逊爵士和爱丁顿教授之间进行分配的话， 我坦率地说真不知道该以何种比率来加以分配。但在我看来，这个光辉的时 刻与其来分配荣誉，倒不如说把全部荣誉归功于双方，因为任何一方如果由 于缺乏远见，或者缺乏热情，或者缺乏抓住正确时机的能力，从而未能发挥 他的作用，那么我怀疑考察队究竟是否会如期出发，而通过观测，首次确定 时空究竟意为何类事物的伟大荣誉也将会推迟到不知何时了。” |
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