《科學(xué)外史》
江曉原 著
上海人民出版社
銀河系中心黑洞首張照片公布
在包括上海在內(nèi)的全球各地同時召開的新聞發(fā)布會上，天文學(xué)家向人們展示了位于我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的首張照片。這一成果給出了該天體就是黑洞的實證，為理解這種被認(rèn)為居于大多數(shù)星系中心的“巨獸”的行為提供了寶貴的線索。該照片由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織這個國際研究團(tuán)隊，通過分布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)“拍攝”而成。
銀河系中心黑洞的首張照片?。‥HT合作組織提供）
這是我們銀河系中心超大質(zhì)量黑洞Sgr A*的首張照片，是這個黑洞真實存在的首個直接視覺證據(jù)。該照片由分布在地球上的八個射電望遠(yuǎn)鏡組成的、一個等效于地球般大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡（即，EHT）所捕獲。望遠(yuǎn)鏡以事件視界（即，光線也無法逃脫的黑洞邊界）命名。
因為黑洞不發(fā)光，所以我們看不見黑洞自身，但繞轉(zhuǎn)的發(fā)光氣體給出了其存在的信號：一個被亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)圍繞的暗弱中心區(qū)域（稱之為陰影）。照片上顯現(xiàn)出的（射電）光都是由該黑洞的強(qiáng)大引力彎曲所致，這個黑洞的質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的四百萬倍。
這是一張期待已久的關(guān)于我們銀河系中心的大質(zhì)量天體的真面目肖像。這個黑洞的質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的四百萬倍。來自天文與天體物理研究所的EHT項目科學(xué)家表示，“我們驚嘆于環(huán)的大小與愛因斯坦廣義相對論預(yù)測結(jié)果出奇一致”。愛因斯坦，又對了！
科學(xué)很枯燥嗎？不，它遠(yuǎn)比我們想象的有趣。《科學(xué)外史》系科學(xué)史學(xué)者江曉原為法國著名科學(xué)雜志《新發(fā)現(xiàn)》之中文版所撰寫的專欄文章結(jié)集，涵蓋天文地理、宇宙太空、科技科幻諸多領(lǐng)域，談及司南傳說、星占學(xué)家、“超級民科”、影響因子等科壇趣事。作者從歷史上種種趣事入手，揭示科學(xué)之前世今生，將科學(xué)從人們盲目迷信和崇拜的神壇上請下來，還其應(yīng)有面目。行文之中，注重科學(xué)技術(shù)與社會、文化諸外部因素之關(guān)聯(lián)及互動；作者又喜用學(xué)術(shù)眼光分析逸聞趣事，常有標(biāo)新立異之論點及表達(dá)——初看似乎離經(jīng)叛道，細(xì)察則仍言之成理。而對于唯科學(xué)主義之弊端及謬誤，作者關(guān)注尤多。
愛丁頓到底有沒有驗證廣義相對論？
有一些進(jìn)入了教科書的說法，即使被后來的學(xué)術(shù)研究證明是錯了，仍然會繼續(xù)廣泛流傳數(shù)十年之久?！皭鄱☆D1919年觀測日食驗證了廣義相對論”就是這樣的說法之一，即認(rèn)為愛丁頓通過1919年5月的日全食觀測，驗證了愛因斯坦廣義相對論對引力場導(dǎo)致遠(yuǎn)處恒星光線偏折的預(yù)言。
亞瑟·斯坦利·愛丁頓，英國天文學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，1919年，撰寫“重力的相對理論報導(dǎo)”，第一次向英語世界介紹了愛因斯坦的廣義相對論理論。
這一說法在各種科學(xué)書籍中到處可見，稍舉數(shù)例如下：理查德·奧爾森等人編的《科學(xué)家傳記百科全書》“愛丁頓”條這樣寫道：“愛丁頓……拍攝1919年5月的日食。他在這次考察中獲得的結(jié)果……支持了愛因斯坦驚人的預(yù)言?！敝馁つ颉段锢韺W(xué)發(fā)展史》、卡約里《物理學(xué)史》中都采用同樣的說法。在非物理學(xué)或天體物理學(xué)專業(yè)的著作中，這種說法也極為常見，比如在卡爾·齊默所著《演化：跨越40億年的生命紀(jì)錄》一書中，為反駁“智能設(shè)計論”，舉了愛因斯坦廣義相對論對引力場導(dǎo)致遠(yuǎn)處恒星光線偏折的預(yù)言為例，說“智能設(shè)計論”無法提出這樣的預(yù)言，所以不是科學(xué)理論。作者也重復(fù)了關(guān)于愛丁頓在1919年日食觀測中驗證了此事的老生常談。這個說法還進(jìn)入了科學(xué)哲學(xué)的經(jīng)典著作中，波普爾在著名的《猜想與反駁》一書中，將愛丁頓觀測日食驗證愛因斯坦預(yù)言作為科學(xué)理論預(yù)言新的事實并得到證實的典型范例。他說此事“給人以深刻印象”，使他“在1919-1920年冬天”形成了著名的關(guān)于“證偽”的理論。愛丁頓驗證了廣義相對論的說法，在國內(nèi)作者的專業(yè)書籍和普及作品中更為常見。這個被廣泛采納的說法是從何而來的呢？它的出身當(dāng)然是非?！案哔F”的。例如，我們可以找到愛丁頓等三人聯(lián)名發(fā)表在1920年《皇家學(xué)會哲學(xué)會報》上的論文，題為《根據(jù)1919年5月29日的日全食觀測測定太陽引力場中光線的彎曲》，作者在論文最后的結(jié)論部分，明確地、滿懷信心地宣稱：“索布拉爾和普林西比的探測結(jié)果幾乎毋庸置疑地表明，光線在太陽附近會發(fā)生彎曲，彎曲值符合愛因斯坦廣義相對論的要求，而且是由太陽引力場產(chǎn)生的?！鄙鲜鼋Y(jié)論當(dāng)然不是愛丁頓爵士的自說自話，它早已得到科學(xué)共同體的權(quán)威肯定。事實上在此之前愛丁頓已經(jīng)公布了他的上述結(jié)論。因為在1919年的《自然》雜志上，E.Cunningham連載兩期的長文《愛因斯坦關(guān)于萬有引力的相對論》中已經(jīng)引用了上述愛丁頓論文中的觀測數(shù)據(jù)和結(jié)論。
愛丁頓論文《根據(jù)1919年5月29日的日全食觀測測定太陽引力場中光線的彎沲）（Determination of the Defection of Light by the Sun’s Gravitational Field,from Observations Made at the Total Eclipse of May 29，1919）
愛丁頓其實未能驗證愛因斯坦的預(yù)言
那么這個進(jìn)入教科書多年的“標(biāo)準(zhǔn)說法”，究竟有什么問題呢？
這就要涉及“科學(xué)的不確定性”了。本來，諸如相對論、物理學(xué)、天體物理之類的學(xué)問，在西方通常被稱為“精密科學(xué)”——指它們可以有精密的實驗或觀測，并可以用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行高度精確的描述。但是，即使是這樣的學(xué)問，仍然有很大的不確定性。而這種不確定性是我們傳統(tǒng)的“科普”中視而不見或盡力隱瞞的。具體到在日食時觀測太陽引力場導(dǎo)致的遠(yuǎn)處恒星光線彎曲（偏折）這件事，事實上其中的不確定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出公眾通常的想象。之所以要在日食時來驗證太陽引力場導(dǎo)致的遠(yuǎn)處恒星光線彎曲，是因為平時在地球上不可能看到太陽周圍（指視方向而言）的恒星，日全食時太陽被月球擋住，這時才能看到太陽周圍的恒星。在1919年的時代，要驗證愛因斯坦廣義相對論關(guān)于光線彎曲的預(yù)言，辦法只有在日食時進(jìn)行太陽周圍天區(qū)的光學(xué)照相。但麻煩的是，在照片上當(dāng)然不可能直接看到恒星光線彎曲的效應(yīng)，所以必須仔細(xì)比對不同時間對相同天區(qū)拍攝的照片，才能間接推算出恒星光線彎曲的數(shù)值。比較合理的辦法是，在日食發(fā)生時對太陽附近天區(qū)照相，再和日食之前半年（或之后半年）對同一天區(qū)進(jìn)行的照相（這時遠(yuǎn)處恒星光線到達(dá)地球的路上沒有經(jīng)過太陽的引力場）比對。通過對相隔半年的兩組照片的比對和測算，確定恒星光線偏折的數(shù)值。這些比對和測算過程中都要用到人的肉眼，這就會有不確定性。更大的不確定性，是因為即使在日全食時，緊貼太陽邊緣處也是不可能看到恒星的，所以太陽邊緣處的恒星光線偏折數(shù)值只能根據(jù)歸算出來的曲線外推而得，這就使得離太陽最近的一兩顆恒星往往會嚴(yán)重影響最后測算出來的數(shù)值。
愛丁頓率領(lǐng)觀測隊到西非普林西比島觀測1919年5月29日的日全食，拍攝日全食時太陽附近的星星位置，根據(jù)廣義相對論理論，太陽的重力會使光線彎曲，太陽附近的星星視位置會變化。
那么愛丁頓1919年觀測歸來宣布的結(jié)論是否可靠呢？事后人們發(fā)現(xiàn)，是不可靠的。在這樣一套復(fù)雜而且充滿不確定性的照相、比對、測算過程中，使最后結(jié)果產(chǎn)生誤差的因素很多，其中非常重要的一個因素是溫度對照相底片的影響。愛丁頓他們在報告中也提到了溫度變化對儀器精度的影響，他們認(rèn)為小于10°F的溫差是可以忽略的，但在兩個日食觀測點之一的索布拉爾，晝夜溫差達(dá)到22°F。在索布拉爾一共拍攝了26張比較底片，其中19張由一架天體照相儀拍攝，質(zhì)量較差；7張由另一架望遠(yuǎn)鏡拍攝，質(zhì)量較好。然而按照后7張底片歸算出來的光線偏折數(shù)值，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于愛因斯坦預(yù)言的值。最后公布的是26張底片的平均值。研究人員后來驗算發(fā)現(xiàn)，如果去掉其中成像不好的一兩顆恒星，最后結(jié)果就會大大改變。
不是學(xué)術(shù)造假，是社會建構(gòu)
愛丁頓當(dāng)年公布這樣的結(jié)論，在如今某些“學(xué)術(shù)打假恐怖主義”人士看來，完全可以被指控為“學(xué)術(shù)造假”。當(dāng)然，事實上從來也沒有人對愛丁頓做過這樣的指控?？茖W(xué)后來的發(fā)展最終還是驗證了他的“驗證”。
愛丁頓與愛因斯坦
在1919年愛丁頓轟動世界的“驗證”之后，1922年、1929年、1936年、1947年、1952年各次日食時，天文學(xué)家都組織了檢驗恒星光線彎曲的觀測，各國天文學(xué)家公布的結(jié)果言人人殊，有的與愛因斯坦預(yù)言的數(shù)值相當(dāng)符合，有的則嚴(yán)重不符。這類觀測中最精密、最成功的一次是1973年6月30日的日全食，美國人在毛里塔尼亞的欣蓋提沙漠綠洲做了長期的準(zhǔn)備工作，用精心設(shè)計的計算程序?qū)λ械挠^測進(jìn)行分析之后，得到太陽邊緣處恒星光線偏折值為1.66″±0.18″。為了突破光學(xué)照相觀測的極限，1974-1975年間，福馬倫特和什拉梅克利用甚長基線干涉儀觀測了太陽引力場對三個射電源輻射的偏折，終于以誤差小于1%的精度證實了愛因斯坦的預(yù)言。也就是說，直到1975年，愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言才真正得到了驗證。但這一系列科學(xué)工作通常都沒有得到公眾和媒體的關(guān)注。那么，愛丁頓當(dāng)年為什么不老老實實地宣布他們得到的觀測結(jié)果未能驗證愛因斯坦的預(yù)言呢？我們倒也不必對愛丁頓作誅心之論，比如說他學(xué)風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn)、動機(jī)不純潔等。事實上，只需認(rèn)識到科學(xué)知識中不可避免地會有社會（人為）建構(gòu)的成分，就很容易理解愛丁頓當(dāng)年為什么要那樣宣布了?？茖W(xué)中的不確定性其實普遍存在，而不確定性的存在就決定了科學(xué)知識中必然有人為建構(gòu)的成分，這是一個方面。另一方面，則是社會因素的影響。愛丁頓當(dāng)時的學(xué)術(shù)聲譽(yù)、他的自負(fù)（相傳他當(dāng)時自命為除了愛因斯坦之外唯一懂得相對論的人）、科學(xué)共同體和公眾以及大眾傳媒對他1919年日食觀測的殷切期盼等，這一切都在將他“趕鴨子上架”，他當(dāng)時很可能被頂在杠頭上下不來了。所以，是1919年的科學(xué)界、公眾、媒體，和愛丁頓共同建構(gòu)了那個后來進(jìn)入教科書的神話。
資料：東方學(xué)習(xí)讀書會
編輯：沈陽
