【物理史中的五月】1919 年 5 月 29 日:愛丁頓(Arthur Eddington)觀察日蝕以檢驗廣義相對論

1919 年 5 月 29 日:愛丁頓(Arthur Eddington)觀察日蝕以檢驗廣義相對論

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2016 年 5 月)

當愛因斯坦於 1915 年發表廣義相對論時,他提出三個關鍵性的驗證,並在給倫敦泰晤士報的信中強調說,假如三個中任一有相悖的情況,整個理論就會瓦解-

.水星近日點前移

.光波在重力場的偏折

.重力紅移

愛因斯坦一完成他的理論,馬上計算水星近日點前移,當廣義相對論給出正確的結果時,他很激動,久久不能自己。第二個經典的測試是光波在重力場的偏折,這是愛丁頓爵士(Sir Arthur Eddington)最先於 1919 年完成的。

1882 年 12 月,愛丁頓誕生於貴格會家庭,2 歲時父親即因英格蘭爆發傷寒大流行而病逝。當他還是小孩時,愛丁頓即深深著迷於夜晚的天空,時常試著數他能看到的星星。起先,愛丁頓在家自學,但當他開始上學後,他數學非常好,所以 16 歲時獲得了獎學金,進入曼徹斯特的歐文學院就讀,主修物理,並以一級榮譽畢業,所以很快就又獲得了另一個獎學金到劍橋大學三一學院就讀。

愛丁頓於 1905 年完成他的碩士學位。他先在卡文迪西實驗室研究熱離子發射,之後嘗試數學研究,但都沒成果。在短暫教授數學之後,他再次發現最初的愛好:天文學。終於他在格林威治皇家天文台謀到一份工作,專門研究恆星的結構。1914 年,他已高升為劍橋天文台台長,接著獲頒皇家學會會士及皇家獎章。

在愛丁頓擔任皇家天文學學會秘書期間,德西特(Willem de Sitter)寄給他有關愛因斯坦新的廣義相對論的信件和論文。在那個對於德國物理學家的任何研究都還有相當戰時敵意和懷疑的年代,愛丁頓成了愛因斯坦最大的傳道人。他很快地投入研究,要證實廣義相對論其中一個主要的預測。

因為天體的質量會引發時空彎曲,所以愛因斯坦預測光應該也會跟隨那些曲線而很輕微地彎曲。牛頓也預測光線在重力場會彎曲,但彎曲程度只有一半。到底哪一個預測比較準確呢?科學家因為要測量如此微小的曲率在當時是遠超過他們的實驗能力而裹足不前。

結果是英國的皇家天文學家戴森爵士(Sir Frank W. Dyson)建議組一個考察團於 1919 年 5 月 29 日去觀測日全蝕,來解決此問題。愛丁頓很樂意帶領這個考察團,但一開始這個探測任務被耽擱了。當時第一次世界大戰正如火如荼地展開,工廠為應付國家軍隊的需要忙得不可開交,根本無暇製造所需的天文儀器。戰爭於 1918 年 11 月結束後,科學家只有 5 個月的時間來整合準備這次的探測。

1919 年的 1 月和 2 月,愛丁頓先在夜間對畢宿星團恆星的位置做了基準測量。在日蝕期間,太陽會越過該星團,因此可看到星光。將一個恆星位置的基準測量,和在日蝕期間在太陽邊緣可見到這個恆星的對應測量做比較,即可判定是愛因斯坦或是牛頓的推論正確。

Photo: Royal Society of London
愛丁頓於1919年5月29日所拍攝的其中一張日蝕照片, 用在他1920年的論文中,以解說、宣佈成功地驗證廣義相對論。

然後愛丁頓出發到非洲西海岸外一個偏僻的小島──普林西比島(Principe),另派第二支船隊到巴西索布拉爾(Sobral, Brazil),以防萬一天公不作美,烏雲遮住視線。結果證明這是一個明智的決定,日蝕當天下大雨烏雲密佈,愛丁頓的團隊都很沮喪,但在日全蝕時天空夠明亮,讓他們得以作測量。巴西隊也有他們的難題,熱帶的熱氣使得他們大望遠鏡內的金屬變形了,他們被迫用一個小一點的 10-公分備用儀器。

經過兩隊分析他們的結果後,他們發現他們的測量都在愛因斯坦預測的兩個標準差之內,是牛頓的兩倍,因此支持愛因斯坦的新理論。愛丁頓觀測的消息很快地傳播開來,引起傳媒轟動,愛因斯坦一夕間成了全球的名人。(當他的助理問他,如果測量失敗,他會怎麼想,據說愛因斯坦開玩笑說:「那我會為親愛的上帝感到難過。但無論如何理論是正確了。」)

然而並不是每個人都很快地接受這樣的結果,有幾位天文學家質疑愛丁頓操縱數據,因為他捨棄從巴西隊變形的望遠鏡得到的數值,那結果比較接近牛頓的數值;另有幾位質疑他的影像品質是否足夠下這樣決定性的結論。美國加州利克天文台(Lick Observatory)的天文學家於 1922 年日蝕時重複測量,得到相似的結果,1953 年和 1973 年日蝕期間的團隊所做的測量結果也一樣。每一次的新結果都比上一個結果更好,所以到了 1960 年代,大多數的物理學家都接受愛因斯坦對光會偏斜多少的預測是正確的。

愛丁頓的事業長久而卓越,後因罹癌而於 1944 年 11 月病逝。他除了有許多科學的貢獻外,還曾對他知名的 1919 年測量寫了模仿《魯拜集》(The Rubaiyat of Omar Khayyam)的抒情四行詩:

Oh leave the Wise our measures to collate
     One thing at least is certain, LIGHT has WEIGHT,
     One thing is certain, and the rest debate-
     Light-rays, when near the Sun, DO NOT GO STRAIGHT

(啊別管智者我們來校對測量
至少可確定一事,重量
       這事確定,其他有待考量 ─
光線,靠近太陽時,不走直線。)

 

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