1919年5月29日，世界歷史從此被改寫。數百年以來，艾薩克·牛頓的萬有引力定律——宇宙萬物的吸引力法則——在學界占據著無可撼動的地位，因為在那個年代，幾乎所有的天文觀測結果，都和牛頓的預言完美相符。但是在19世紀中期，隨著水星的環繞軌道也被天文學家觀測出，牛頓的預言卻和這一結果產生了偏差。於是，眾多科學家努力地去解釋誤差產生的原因。
牛頓&愛因斯坦
或許，是時候要學者們修改一下牛頓的引力定律了。狹義相對論誕生時，最有說服力的證據便出現了，由它人們推斷出這世上並沒有“絕對距離”這回事。牛頓的理論預言了一個瞬時力的存在，這又一次違反了相對論。1915年，愛因斯坦提出了一個新的替代引力理論：廣義相對論。用它來推翻牛頓的理論，等一次日全食就可以了。百年後，愛因斯坦的理論被證明是正確的。接下來，我將給大家解釋這段傳奇。
像日全食這般的天文現象可以為驗證愛因斯坦的理論提供獨一無二的機會，因為其他遙遠的天體的光路在經過太陽附近時會發生偏折，但是仍然能為地球上的觀日者所見，因為當太陽被月球完全遮擋的時候，天空也隨之變暗。這一方法在1919年5月29日得到了應用，目的是為了第一次證明愛因斯坦的廣義相對論。
日食示意圖
在本世紀，愛因斯坦的廣義相對論是人類歷史上當之無愧的最成功的的理論。從GPS信號的修正到引力紅移，從引力透鏡到黑洞的合並，甚至是脈沖星的計時和水星的環繞軌道。廣義相對論的預言不曾讓人們失望過。
當這項理論在1915年首次被完成時，愛因斯坦就試圖用它來替代牛頓的引力學說。顯然，雖然對於前任牛頓的成功，它可以予以重複；對於牛頓理論測不出的水星軌道，它也可以給出解釋，但是這一全新的預言，必須經歷最嚴苛的實驗，畢竟這一預言與牛頓時代萬有引力定律給出的預言有著天壤之別。而一次日全食，就是一次獨一無二的、直截了當的機會。
廣義相對論的扭曲示意圖
被引入探究太陽系的恒星與行星的空間曲率，必須在所有的太空飛行器能觀測到的結果中被考慮在內。廣義相對論的影響，即使是那些極其細微的影響，在應用在太空探索、GPS衛星、探測經過太陽的光信號時也不能被馬虎放過。（參考：美國航天局/加州理工大學噴氣推進實驗室，卡西尼號任務，NASA/JPL-CALTECH, FOR THE CASSINI MISSION）
在牛頓的引力理論中，有質量的物體會相互吸引；即使是沒有質量的光，由於它存在能量，因此通過愛因斯坦的質能方程E = mc²（m = E/c²），你可以分配一部分有效質量給它；如果你讓光量子在一個大質量（物體）附近通過，你就可以通過這份有效質量去預測星光彎曲了多少，而且你得到的是一個准確值。在太陽的邊緣，這個數值低於1弧秒，也就是1°的3600分之一（0.01592°）。
但是在愛因斯坦的廣義相對論裏，時間和空間都因質量的出現而扭曲，然而在牛頓的理論中，只有一個在空間中移動的物體才受引力的作用。這意味著愛因斯坦的理論預言了牛頓理論“2”的額外因素，使得太陽附近光的偏角更接近2弧秒。（事實上應該比2更多，尤其是當光量子更接近假設中的質量時。）
牛頓和愛因斯坦的觀點對比（圖源NASA）
一份對引力透鏡的說明揭示了背景星系——或者是任意一條光路——是如何被出現的中間質量扭曲的，但它同時展示了空間是如何被前景質量彎折和扭曲的。在愛因斯坦提出廣義相對論之前，他就明白彎折必然會出現，盡管（在當時）許多論據仍然值得被質疑，直到（甚至是在這之後）1919年的那場日食證明了他的假說。牛頓和愛因斯坦關於彎折程度的假說有著天壤之別，這是因為在廣義相對論中，時間和空間都為質量所影響。
於1687年提出的牛頓重力理論，是一條非凡的普世法則：將兩個有質量的物體置於宇宙的任意一個角落，只要給定二者的距離，我們馬上就可以知曉它們之間的萬有引力。下至地面上的鐵球，上至天上的星宇，它們的運動統統可用這套理論來解釋。在此後的200年，它經歷了數場類似的驗證，無一失手。但是，在一次令人困擾的觀測中，現實恐怕和牛頓理論完全脫節：那就是觀測太陽系最內層行星的運動細節。
在測出了天王星的軌道異常、發現了海王星之後，法國天文學家勒威耶集中精力去解決水星軌道異常的問題。他提出了假說，預言了內部行星祝融星（也作火神星）的存在，並試圖以它作為解釋。盡管祝融星事實上並不存在，但是正是勒威耶為論證它所作出的大量計算工作為愛因斯坦指明了最終的答案：廣義相對論。（維基共享資源，用戶REYK）
每個行星的繞行軌道都大致呈橢圓形。然而這一橢圓形軌道並非完全靜態，這些行星並不是每次公轉後都回到宇宙中的同一個位點，實際上，它們也在做旋進運動。如果在宇宙空間中觀察，旋進運動使得橢圓軌道也跟著旋轉，盡管非常緩慢。由於水星在16世紀末被第穀以驚人的精確度觀測到，所以在此後300多年我們掌握著（在那時）十分精確的數據，解決問題的手段也變得先進。
旋進示意圖
根據牛頓的理論，由於地球晝夜平分點的旋進和其餘行星對水星的引力作用，水星的軌道應該每百年旋進5,557秒。但是在觀測結果中，我們發現這一數值應當是每百年5,600秒。這一每百年43秒的差別（或者就換算成每年0.00012度），在牛頓的經典力學理論框架中無以解釋。時人認為，要麼是水星軌道內側還有一顆行星（在觀測中被排除掉了），要麼，就是我們既有的引力理論出了問題。
在解釋水星的軌道時，根據兩種不同的引力理論，當其它行星的作用、地球自身的運動被排除後，牛頓的假說傾向於一個閉合的橢圓，而愛因斯坦的假說傾向於一個旋進的橢圓。（維基共享資源，用戶KSMRQ）
但是愛因斯坦的理論看起來能解釋這一誤差。他花費多年建立起廣義相對論的框架，在那裏引力不是由於質量之間的相互吸引產生的，而是由於物質和能量在空間結構中沿曲線運動，隨後物體從其中穿過所形成的。當引力場較弱時，與愛因斯坦理論的結果相比較，牛頓的法則是一個更好的估計。
然而，當接近於大質量或者高速時，愛因斯坦的假說與牛頓的不同，愛因斯坦的假說預言了每百年43秒的誤差。但是推翻一個科學理論的門檻可沒這麼低。如果想要取代一個舊的理論，新的學說必須完成下列事項：
重現舊有理論已取得的成果（否則，從某些方面來說，舊有理論還是先進的），
在方法上繼承舊有理論無法繼承的（否則，你的新理論不能用於解釋舊理論提出的問題），
然後做出一個你可以證明的假說，並區別新舊兩派的想法（否則，你的學說不具有科學預言的力量），
而對於愛因斯坦來說，最後一步就是——等待日食。
光的彎折示意圖
在一場日全食中，恒星出現的位置與它們實際所在的位置並不同，這是因為太陽——這一巨大的中間質量——使光發生了彎曲。偏折的程度會被光波在空間中穿過區域的引力作用的強度決定。（E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY）
當星星在夜空中閃耀，從若乾光年以外進入我們眼簾的星光來自於宇宙的不同位置。如果牛頓是正確的，也就是說光要麼通過一條筆直的直線到達地球，不被它所經過的任何質量偏折（如果光沒有質量），要麼它會由於質能等效性被引力作用，從而發生彎曲。（畢竟如果考慮 E = mc²，你或許也可以假設光存在有效質量m = E/c²）
然而愛因斯坦的理論，特別是當光超近距離穿過一大塊質量時，提供了一個與這兩種情況都不相同的假說。2的額外因素（或者說2的額外兆分之一）是愛因斯坦學說中一個獨到的、精准的預言，而且是一年中可以有兩次觀測機會加以證明的預言。
光的彎折示意圖
雖然有些人會質疑，牛頓的引力已經預言了無偏折和可用牛頓力學定律和質能方程E=mc²解釋的偏折，但是最完整可靠的愛因斯坦的預言卻和牛頓的兩者都不相同。（美國航天局/宇宙時代/戈達德太空飛行中心，Jim Lochner & Barbara Mattson）
我們已知和地球接近的最大的物質就是太陽，太陽光使得星光通常不能在白天被肉眼所見。當星光穿過太陽的邊沿時，參考愛因斯坦的說法，它會沿著彎曲的空間穿行，使得光路看起來像是彎折的。然而，在日全食過程中，月亮擋在太陽的前面，遮住了絕大部分的太陽光線，使得白天像晚上一樣黑暗，這也就創造了白天觀察星星的絕佳機會。
如果你先前測量過天空中星球的位置，並達到了足夠精確的精度，你就能知道這些星球是不是移動過——順便還能知道它們移動了多少——由於那個巨大的、鄰近的質量的出現。如果你可以以高於弧秒的精度探測到一個偏折過的位置，你就可以深深地了解到底是牛頓，還是愛因斯坦，亦或兩人都沒有，得出正確的結論。
1900年的日食
有一張星空的相片底片被確認是在1900年的一場日食中拍攝的（上圖）。值得關注的是，雖然日冕和恒星都可以被識別，星體的精確位置不足以用來檢測廣義相對論的正確性。（謝伯特太空及科學館）
1902年的日食
許多拍攝於日全食的太陽的底片已經揭示了先前的日冕層的具體細節，同時也給出了白天恒星出現和存在的位置。然而，沒有一張像這樣先前存在的照片達到了用來測試的質量，精確度也達不到要求；星光的偏折是一種非常難以區分的現象，以至於需要非常精確的測量手段去探測！
在愛因斯坦完成廣義相對論的1915年後，曾經有一些機會來檢測這一理論：1916年，一戰乾擾了檢測；1918年，觀測的嘗試因被雲層遮擋而告終；一直到1919年，第一次測試才順利告捷。天文學家亞瑟·愛丁頓組織了一支科考隊，它們分成了兩小隊，一個前往巴西，一個前往非洲，以期拍攝、測量這些星體的位置。值得一提的是，這一次日全食是20世紀最長的一次日全食，延續了幾乎7分鐘。
在1919年愛丁頓科考隊收集的照片中，不論是正片還是負片，都展示了（盡管有一些乾擾的線）被識別為可用作測量太陽對光的偏折的星星的位置。這是人類歷史上第一次對廣義相對論做出的直接的，基於實驗性的證明。（愛丁頓等，1919）
這些觀測結果的影響是壓倒性的、極其深遠的：愛因斯坦的學說完全正確，而牛頓的假說在太陽對星光的偏折這一事實面前被徹底推翻。雖然證明過程中的使用的數據和分析富有爭議，許多人借此譴責愛丁頓（甚至現在依然有人這麼做）是“把書煮了”才得到這麼個證明了愛因斯坦預言的結果，隨後的日食觀測卻依然證實了廣義相對論就是可以用來解決牛頓引力之外的未解之謎。
愛因斯坦和愛丁頓
值得一提的是，經過對愛丁頓工作謹慎的重新分析，結果顯示，它的確可以用來證明廣義相對論的正確性。全世界報刊業的寫手都開始宣傳這一巨大的成功，甚至百年以後的本世紀，一些世界頂級的科學作家仍然在出版關於這一偉大成就的文學作品。
有趣的是，當時紐約時報、倫敦新聞畫報，頭條的質量和深度竟然有巨大的差別，分別展示了兩國記者對這一難以置信的科學突破的興奮與不懈。不管怎樣，光在接近質量的時候會發生彎折，彎折的程度確實被證明符合愛因斯坦的假說。（紐約時報，1919年11月10日(L)；倫敦新聞畫報，1919年11月22日(R)）
在事件的一百年紀念日時。正是這一次科考確立了愛因斯坦的廣義相對論在解釋引力的原理方面的領先地位，使之成為了人類的領先學說。牛頓的經典力學仍然非常有用，但是僅僅在有限的條件下成立，使之作為對愛因斯坦學說的逼近。
晚年的愛因斯坦
與此同時，廣義相對論已經繼續成功預言了諸如慣性系拖曳效應、引力波等的存在，也可能遭遇與它的預言相悖的天文觀測。這標志著百年的逝去，紀念著那個推斷出廣義相對論成立的日子，甚至包含著一些未來甚至連廣義相對論也可能被推翻的意味。雖然，我們肯定不可能了解宇宙的全部奧秘，就像我們不了解量子學說下的引力究竟是怎麼回事，這卻是用來紀念所有我們的已知的日子。嚴苛的證明已經過去了百年，我們最好的引力理論仍然不會停下發展的腳步。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
translate: Cherish
author: Ethan Siegel
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