馮八飛
在“愛因斯坦”這一史上最精彩科學(xué)大事件中，有三個(gè)重要時(shí)間點(diǎn)，第一個(gè)是1905年“奇跡年”，第二個(gè)是1915年11月愛因斯坦向普魯士科學(xué)院提交四篇廣義相對(duì)論科學(xué)報(bào)告。最后一個(gè)，就是1919年。
一
1919年，距“奇跡年”已過14年，但愛因斯坦成為人類最偉大的物理天才那一夜仍未到來。
說了半天，到底什么是物理？物理是人類最古老的科學(xué)，它源于先民對(duì)于地球和太空的無限驚嘆和奪命探索?？珊芏嗳瞬恢牢锢砜梢苑譃閷?shí)驗(yàn)物理學(xué)與理論物理學(xué)。
中學(xué)生都知道物理要由實(shí)驗(yàn)證明。我們通過實(shí)驗(yàn)把水分解為兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子，于是我們知道水是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成的。這個(gè)知識(shí)就是物理。用這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明水的成分，即實(shí)驗(yàn)物理學(xué)。絕大部分物理學(xué)家都是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，如伽利略、發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的法拉第、發(fā)現(xiàn)能量守恒的焦耳和發(fā)現(xiàn)歐姆定律的歐姆，等等。
理論物理學(xué)則不同。它完全是理論，剛提出來時(shí)跟科幻小說差不多，提出后只能靜待后世通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有時(shí)實(shí)在找不到驗(yàn)證的方法，就一直是一種理論。比如宇宙大爆炸理論，現(xiàn)在算宇宙產(chǎn)生的主流理論，但其實(shí)到今天還沒找到直接證據(jù)，因?yàn)楦驹觳怀鲞@么大的實(shí)驗(yàn)室來重現(xiàn)宇宙大爆炸。
實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家一般看不起理論物理學(xué)家，覺得他們提出的理論都是胡說八道。但從牛頓開始，近代最偉大的物理學(xué)家基本上都可以算是理論物理學(xué)家，如提出電磁場(chǎng)理論的麥克斯韋、提出相對(duì)論的愛因斯坦、提出量子理論的玻爾和普朗克，以及提出蟲洞理論的霍金。
理論物理學(xué)提出后通常要依靠數(shù)學(xué)計(jì)算來推理，因此數(shù)學(xué)家格羅斯曼才對(duì)廣義相對(duì)論如此重要。也因?yàn)槿绱?，廣義相對(duì)論剛問世時(shí)遭到世界物理學(xué)界集體冷落，都把它看成拼拼湊湊的數(shù)學(xué)游戲。為讓物理學(xué)界信服，愛因斯坦提出了驗(yàn)證廣義相對(duì)論的三個(gè)預(yù)言。這三個(gè)預(yù)言最后都令人驚訝地成了真。
第一個(gè)是“水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)”。這是牛頓力學(xué)的老大難?？垂夙氈?，亞里斯多德認(rèn)為星體運(yùn)行軌道是圓形，因?yàn)樵诠畔ＥD哲學(xué)中，圓形代表完美和諧，而地球上的運(yùn)動(dòng)，例如重物直線下落，在古希臘哲學(xué)看來都不完美。后來布雷赫－開普勒行星軌道運(yùn)行定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律出來，大家又認(rèn)為行星繞太陽旋轉(zhuǎn)時(shí)軌道是橢圓。這個(gè)說法很快遇到了不可解決的困難——水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。
太陽系中離太陽最近的是水星。法國天文學(xué)家勒維里埃發(fā)現(xiàn)水星每繞太陽公轉(zhuǎn)一周，其軌道離太陽最近點(diǎn)（水星近日點(diǎn)）的位置就有微小進(jìn)動(dòng)（向太陽移動(dòng)），每100年進(jìn)動(dòng)5600.73角秒。其中5557.62角秒可以解釋，但剩下的43.11角秒?yún)s無論如何也找不到解釋。這是物理學(xué)史上最大的懸案之一，被稱為“飄浮在牛頓引力理論上空的一朵烏云”。因?yàn)?，無法解釋此事，牛頓萬有引力理論就有可能被推翻。那歐洲就沒科學(xué)啦。
于是，大家只好根據(jù)牛頓的萬有引力理論假設(shè)太陽系還有一顆“火神星”，它的引力導(dǎo)致了水星近日點(diǎn)這43.11角秒的進(jìn)動(dòng)。這倒也非閉著眼瞎猜，因?yàn)榇饲暗暮Ｍ跣蔷褪沁@樣根據(jù)萬有引力理論找到的。但這一次遇到了問題，無論大家眼睛瞪多大，這顆火神星始終沒找到。
1915年愛因斯坦在權(quán)威刊物《普魯士科學(xué)院學(xué)報(bào)》發(fā)表論文《論廣義相對(duì)論》，其精華是一個(gè)方程式，憑它可在限定質(zhì)量或輻射時(shí)得出空間的曲率，論文的結(jié)論是“物質(zhì)決定空間的彎曲，而空間決定物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)?！贝思葱夹枪鈴澢囊?chǎng)理論！該理論完美解釋水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，等于廣義相對(duì)論直接擊倒萬有引力。
愛因斯坦的解釋是：根本就沒有什么“火神星”！只是因?yàn)樘柕拇嬖谠斐煽臻g彎曲，加上萬有引力理論不夠精確，計(jì)算偏差，這才導(dǎo)致了這場(chǎng)漫長的誤會(huì)。后來科學(xué)觀測(cè)得到的數(shù)值證實(shí)了愛因斯坦的論斷，而且，至今我們也沒發(fā)現(xiàn)“火神星”。解釋“水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)”是廣義相對(duì)論誕生之后的第一場(chǎng)勝仗，此后大家開始拿廣義相對(duì)論當(dāng)回事兒了。
第二個(gè)預(yù)言是“相對(duì)論紅移”，它提出，我們觀測(cè)宇宙時(shí)，鄰近星體發(fā)出的光譜線與地球上同類分子產(chǎn)生的光譜線相比，其譜線偏向紅端（長波端）。1920年代，天文學(xué)家觀測(cè)天狼星伴星時(shí)驗(yàn)證了相對(duì)論紅移。天狼星伴星與白矮星相似，密度很大，在觀測(cè)過程中獲得的值都與愛因斯坦的計(jì)算值相近。這是廣義相對(duì)論的第二個(gè)勝仗。
第三個(gè)預(yù)言，也是最重要和直觀的預(yù)言，愛因斯坦預(yù)言宇宙中巨大的星星都會(huì)形成引力場(chǎng)，這個(gè)引力場(chǎng)會(huì)讓該星星周圍的空間彎曲。這同時(shí)是廣義相對(duì)論最著名的預(yù)言：空間（即宇宙）是彎曲的。
要證明空間是彎曲的，地球上根本找不到證據(jù)，只能到太空中去找。距離地球最近最大的星星是太陽，如果廣義相對(duì)論正確，當(dāng)遙遠(yuǎn)的外太空星星發(fā)出的光經(jīng)過太陽旁邊時(shí)，受到太陽引力場(chǎng)的影響，星光會(huì)發(fā)生微乎其微的彎曲。這是當(dāng)時(shí)人類能夠證明廣義相對(duì)論的最直接證據(jù)。完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于必須先把太陽擋住，否則，太陽光太強(qiáng)，我們根本無法看到掠過太陽邊緣的外太空星光。可是，誰能擋住太陽？太陽表面溫度6000度，即使誰有這本事飛過去，也根本飛不攏，因?yàn)檫€沒飛攏就被太陽烤成一股青煙啦。那么，怎么才能把太陽光擋住呢？
日全食！
其實(shí)，1907年，還在伯爾尼專利局當(dāng)公務(wù)員的愛因斯坦就發(fā)現(xiàn)了等效原理，等效原理意味光線會(huì)發(fā)生彎曲。四年后，當(dāng)了布拉格德意志大學(xué)正教授的愛因斯坦計(jì)算出日全食時(shí)星光掠過太陽邊緣時(shí)發(fā)生的彎曲度是0.87角秒。
不過，這個(gè)計(jì)算結(jié)果是錯(cuò)誤的！愛因斯坦那時(shí)還沒明白宇宙是彎曲的，他那時(shí)仍相信牛頓力學(xué)，即宇宙是平的，這個(gè)0.87角秒正是用牛頓的萬有引力和光微粒說理論計(jì)算出來的，后稱“牛頓值”。
1912年，回到蘇黎世ETH大學(xué)擔(dān)任教授的愛因斯坦在老朋友格羅斯曼的幫助下終于結(jié)識(shí)了黎曼幾何，黎曼老師告訴愛因斯坦同學(xué)：空間是彎的。即使這樣，到1914年愛因斯坦仍沒找到正確答案。后來愛因斯坦被羅愛莎鎖在柏林住家樓上倆星期，突然之間恍然大明白：原來，光線彎曲是因?yàn)榭臻g是彎曲的！光線沿著空間傳播，因此也是彎曲的。1915年11月18日，愛因斯坦糾正了自己的錯(cuò)誤，算出日全食時(shí)星光掠過太陽邊緣的彎曲度應(yīng)為1.74角秒。這個(gè)值現(xiàn)稱“愛因斯坦值”。也就是說，愛因斯坦值是牛頓值的兩倍。
二
咱們先前說了，愛因斯坦從小是頭“下狗”（Underdog），大學(xué)畢業(yè)前運(yùn)氣要多爛有多爛。但其實(shí)人一生的運(yùn)氣都是差不多的，如果你小時(shí)候運(yùn)氣很差，通常意味著你長大之后運(yùn)氣會(huì)變好。愛因斯坦這時(shí)運(yùn)氣變得空前地好起來。
為驗(yàn)證日全食時(shí)星光掠過太陽邊緣的彎曲度，歐洲人民努力過好幾回，可都失敗了。1912年一支阿根廷觀測(cè)隊(duì)開到巴西準(zhǔn)備觀測(cè)日全食，結(jié)果沒弄成。1914年8月，一支德國遠(yuǎn)征隊(duì)開到克里米亞準(zhǔn)備觀察8月21日的日全食，誰知他們剛進(jìn)入俄羅斯，第一次世界大戰(zhàn)就爆發(fā)了，俄羅斯向德國宣戰(zhàn)，全體科學(xué)家被當(dāng)作德國間諜抓了起來，直到雙方交換戰(zhàn)俘時(shí)才返回德國，觀測(cè)當(dāng)然也就胎死腹中。1915年11月18日，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)愛因斯坦值，1916年委內(nèi)瑞拉日全食，但再次因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)無法進(jìn)行觀測(cè)。
有趣的是，這些失敗卻保證了愛因斯坦的成功，因?yàn)榇藭r(shí)愛因斯坦預(yù)言的還是牛頓值，如果觀測(cè)成功將證明愛因斯坦是錯(cuò)的。那他說不定會(huì)因此全盤放棄相對(duì)論。
1919年2月愛因斯坦跟馬蜜娃離婚，之后那個(gè)偉大的日子，1919年5月29日就來了。這個(gè)日子之所以偉大，是因?yàn)閻垡蛩固褂龅搅藧鄱☆D。
愛丁頓是一個(gè)英國人，英國劍橋大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長。此公也是個(gè)妙人。廣義相對(duì)論發(fā)表后，《紐約時(shí)報(bào)》宣布“全世界只有12個(gè)人懂廣義相對(duì)論”，意思是該東西實(shí)在曲高和寡。很快《紐約時(shí)報(bào)》的記者又報(bào)告愛丁頓一個(gè)更極端的說法：“地球上只有3個(gè)半人理解相對(duì)論”。這個(gè)說法實(shí)在太極端了，因?yàn)閺V義相對(duì)論作者——愛因斯坦與格羅斯曼——肯定是懂的。愛丁頓立刻低下了天文臺(tái)長碩大的腦袋，記者趕緊安慰他說：“您不必如此謙虛。我們都知道您肯定是其中之一。”誰知愛臺(tái)長立即抬頭反駁說：“對(duì)不起，我不是謙虛。剛才我是在想另外那半個(gè)人到底是誰?！?/p>
愛丁頓驗(yàn)證愛因斯坦的廣義相對(duì)論，并非順理成章。當(dāng)時(shí)正值第一次世界大戰(zhàn)，英德大打出手，從國家而言他倆是敵人。這個(gè)故事非常精彩，容我細(xì)細(xì)為您從頭道來。
話說1916年春天，英國皇家天文學(xué)會(huì)突然收到愛因斯坦的《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》！寄信人是中立國荷蘭萊頓大學(xué)教授、英國皇家天文學(xué)會(huì)通訊會(huì)員西特，論文是愛因斯坦寄給他的。愛丁頓毫無疑問是個(gè)識(shí)貨的，他一眼就看出論文的劃時(shí)代意義，馬上請(qǐng)西特寫了三篇文章介紹，很快發(fā)表在皇家天文學(xué)會(huì)會(huì)刊，頓時(shí)轟動(dòng)英國科學(xué)界。
這可是英國人牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律以來的兩個(gè)半世紀(jì)里，第一次有人向牛頓提出強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，而且挑戰(zhàn)者居然是個(gè)德國人！而且看上去牛頓好像有點(diǎn)招架不住。英國科學(xué)界群情激奮，紛紛要求迅速觀測(cè)日全食，以證明愛因斯坦是錯(cuò)的！
根據(jù)計(jì)算，1919年5月29日將發(fā)生日全食，而這天剛好能通過太陽邊緣觀測(cè)到金牛座的畢宿星團(tuán)，如果天氣晴朗，至少可以照到13顆很亮的星星。此乃天賜良機(jī)：如果星光掠過太陽邊緣時(shí)確如愛因斯坦預(yù)言的那樣彎曲了1.74弧秒，牛頓就得脫帽退出歷史舞臺(tái)；如果星光并未彎曲，愛因斯坦就必須去倫敦牛頓墓前賠禮道歉。
當(dāng)時(shí)照相技術(shù)相當(dāng)原始，要照出這1.74角秒非常困難。但愛丁頓跟愛因斯坦一樣是個(gè)咬定真理不松口的人，在他強(qiáng)力推動(dòng)下，皇家天文學(xué)會(huì)決定觀測(cè)這次日全食。當(dāng)時(shí)德國潛艇封鎖英國海岸線，廣大英國人民忍饑挨餓，每天都有英軍士兵死于德國槍炮，此時(shí)花費(fèi)英國的財(cái)力人力去證明一個(gè)德國科學(xué)家的研究成果，非純粹的科學(xué)家莫辦。
但愛丁頓恰恰是這樣純粹的科學(xué)家。他與愛因斯坦一樣堅(jiān)持科學(xué)無國界，并以自己的熱情和執(zhí)著感動(dòng)了皇家天文官代遜。1919年3月，代遜在格林威治皇家天文臺(tái)官邸拍板決定派出兩支遠(yuǎn)征隊(duì)分赴非洲的普林西比島和南美巴西的索布拉爾村拍攝這次日全食。會(huì)議結(jié)束時(shí)愛丁頓副手開玩笑地問代遜：“如果觀測(cè)到的星光彎曲度既不是0.87角秒，也不是1.74角秒，而是3.4角秒，咋辦？”代遜雙手一攤說：“那愛丁頓就要發(fā)瘋了。英國不需要瘋子，你就一個(gè)人回英國來吧?！?/p>
英國雖然貴為海上霸主，但當(dāng)時(shí)的航海技術(shù)相當(dāng)簡(jiǎn)陋，愛丁頓在海上顛簸到4月23日才趕到普林西比島，然后架設(shè)望遠(yuǎn)鏡、選擇角度、試拍照片，忙作一團(tuán)，等待宇宙宣判愛因斯坦。5月29日終于到了，可一清早就下起了傾盆大雨。愛丁頓只好呆坐帳篷望天罵娘：這要是拍不到，兩年多的籌備就算泡湯，大筆銀子就算化成水流走了。當(dāng)時(shí)英國是世界第一強(qiáng)國，所以可能老天爺聽到英國人罵娘后比較給面子，到中午，雨居然停了，可陰云卻不散，中午一點(diǎn)半還看不見太陽。眼看月球已經(jīng)如約來到地球和太陽中間，可太陽呢？話說天文觀測(cè)不像吃瓜子，吃到一個(gè)臭的吐了再吃一個(gè)就好了。天文觀測(cè)失敗就得等下一次，而下一次可能得好幾年，而且很可能只有北極才能看得見，那您就得去北極！還得再花好大一筆銀子。如果這次觀測(cè)失敗，下次政府給不給錢還另說呢！
所以，愛丁頓決心死馬當(dāng)作活馬醫(yī)，有云也拍。恰好此時(shí)云薄了些，天空立刻暗下來，顯示日全食開始。愛丁頓抓住機(jī)會(huì)，一聲令下“開拍”。此時(shí)已經(jīng)“食甚”，月亮完全遮住了太陽，太陽變成一個(gè)大黑球，外圈卻像燒紅的煤球一樣向外噴吐著長長的火舌。太陽背后遙遠(yuǎn)的外太空，畢宿星團(tuán)的幾顆星星正調(diào)皮地向所有人擠眉弄眼。大家屏住呼吸，只聽見拍照的“咔嚓”聲和照相師手忙腳亂換底片的聲音。當(dāng)時(shí)每拍一張照片都要換一次巨大的底片暗匣，等太陽重新普照大地，總共才拍了16張。然后，觀測(cè)隊(duì)不能下島，得等入夜后再次拍下畢宿星團(tuán)的照片，然后用這張照片與日全食照片對(duì)比，才能確認(rèn)日全食時(shí)發(fā)出的星光是否發(fā)生了彎曲。
愛丁頓實(shí)在等不及回到倫敦，他在普林西比島上就開始沖洗。當(dāng)時(shí)沒有數(shù)碼打印機(jī)，想看照片得用幾種藥液依次沖洗底片，十分復(fù)雜。沖出一張來，一看，只有太陽和月球的影子，旁邊根本看不見星星。不是沒有星星，而是被云遮住了。第二張、第三張、第四張，都是這樣。每洗出一張照片，愛丁頓的心就下沉一格……直到最后一張照片，底片上出現(xiàn)了清晰的星星。愛丁頓的心臟呼一家伙猛然跳到最高格：空間是否彎曲，宇宙是否有限無邊，這些關(guān)乎宇宙存在的驚天秘密，都在他手中的這張底片上！他哆嗦著把這張底片與入夜后拍攝的星光底片重疊起來放在裝有照明燈的乳白色玻璃上，彎下腰去看。腰還沒徹底彎下去，愛丁頓已經(jīng)看到了：太陽周圍的那十幾顆星星發(fā)出的光，確實(shí)都向外偏轉(zhuǎn)了！人類歷史最大的彩票開出了中獎(jiǎng)號(hào)碼：星光居然真的像愛因斯坦預(yù)言的那樣彎曲了。空間確實(shí)彎曲，宇宙真可能有限！
三
愛丁頓不知道，他拍攝成功之后4天，愛因斯坦跟羅愛莎在柏林結(jié)為夫妻，這等于是他送愛因斯坦的結(jié)婚禮物。有趣的是愛因斯坦并不領(lǐng)他的情，因?yàn)樵诨槎Y上的愛因斯坦并不知道自己的偉大預(yù)言已經(jīng)成真。偉大的歷史事件發(fā)生時(shí)，當(dāng)事者經(jīng)常并不自覺。愛丁頓不需要發(fā)瘋了，因?yàn)樗萌ギ?dāng)英國最有名的相對(duì)論專家。
他回到英國時(shí)，南美洲索布拉爾拍攝隊(duì)的照片也印證了愛丁頓的判斷。日全食時(shí)天會(huì)變黑，而這一天無疑是牛頓萬有引力的黑暗之日，所以有人仿照蒲伯稱贊牛頓的詩句狗尾續(xù)貂曰：“魔鬼說：‘愛因斯坦，降生吧！’于是世界又遁入黑暗。”
然而，這仍非愛因斯坦成名的那一夜。那一夜降臨在1919年11月6日。
這天下午，英國皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)在倫敦召開聯(lián)席會(huì)議，英國科學(xué)界各路泰斗濟(jì)濟(jì)一堂。這些德高望重的教授們板著臉正襟危坐，連說話都附耳私語。他們深知今天會(huì)議意義，雖然觀測(cè)結(jié)果大家都有所耳聞，但今天的正式發(fā)布帶有劃時(shí)代的意義。
全場(chǎng)肅穆，英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)長、電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆森起立致詞。他宣布，兩個(gè)觀測(cè)隊(duì)的觀測(cè)結(jié)果證明星光掠過太陽時(shí)確實(shí)發(fā)生了彎曲。說了半天星光彎曲，到底是什么意思呢？湯姆森知道這個(gè)意思。他孤獨(dú)地站在發(fā)言臺(tái)上，不勝重負(fù)。這個(gè)曾對(duì)相對(duì)論非常不以為然的世界科學(xué)領(lǐng)頭人背后掛著一幅巨大的牛頓油畫。擔(dān)任英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)長24年的牛頓居高臨下威嚴(yán)地俯視著自己后任的脊梁，靜候他宣布自己與愛因斯坦之間這場(chǎng)決斗的勝負(fù)。湯姆森清了一下嗓子，說：“這是牛頓時(shí)代萬有引力理論以來最重大的成果，愛因斯坦的相對(duì)論是人類思想史上最偉大的成就之一——也許就是最偉大的成就……這不是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小島，而是發(fā)現(xiàn)了科學(xué)思想的新大陸(26.17, -0.64, -2.39%)。”
晴天霹靂！
皇家學(xué)會(huì)與皇家天文學(xué)會(huì)全體會(huì)員如喪考妣。因?yàn)?，愛因斯坦?duì)了，牛頓就錯(cuò)了。牛頓錯(cuò)了，他們的飯碗就打得稀爛。牛頓的接班人湯姆森親口宣布將牛頓傳下的世界科學(xué)權(quán)杖交給愛因斯坦。牛頓那條史上最有名的謙虛格言居然并非謙虛：“我不知道在別人看來我是什么人，但在我自己看來，我不過是個(gè)在海濱玩耍的小孩，為不時(shí)發(fā)現(xiàn)更光滑的一塊卵石或更美麗的一片貝殼而沾沾自喜，卻完全沒發(fā)現(xiàn)面前浩瀚的真理海洋?！?/p>
是的，他確實(shí)沒發(fā)現(xiàn)。但是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了，愛因斯坦傳奇，從此開始。愛丁頓此時(shí)根本沒見過愛因斯坦。然而，這個(gè)英國天文學(xué)家證明，一戰(zhàn)死敵德國，他們家的愛因斯坦打倒了英國最偉大的科學(xué)家牛頓。這就叫科學(xué)無國界！愛丁頓這個(gè)為敵國科學(xué)家作嫁衣裳的偉大科學(xué)家就此贏得“偉大”這個(gè)兩個(gè)字當(dāng)墓碑。
很多文章說1905年愛因斯坦一夜成名。其實(shí)它們的作者都沒仔細(xì)讀史。1919年11月6日下午，才是愛因斯坦真正成名的那一夜。是的，當(dāng)時(shí)就是這樣。是的，當(dāng)時(shí)確實(shí)是白天。但愛因斯坦這顆天定的明星仍然在這個(gè)白天閃爍出華彩四溢的耀眼光芒。
然而，這次成名，能讓世界對(duì)愛因斯坦心服口服嗎？
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