戏剧性的宣布

1919年11月7日，英国《伦敦时报》刊登了一篇新闻文章，标题耸人听闻:一场科学革命——宇宙的新理论——牛顿的思想被驳倒了。这篇文章报道了同年早些时候由两个探险队进行的天文观测结果，一个位于非洲西海岸附近的普林西比岛，另一个位于巴西的索布拉尔市。从这两个地方，可以观察到一个完整的日食在同一天。这些观测的目的是验证爱因斯坦广义相对论的一个预言。爱因斯坦声称，来自遥远恒星的光线在经过太阳到达地球时，路径会变得弯曲。

对弯曲光线的观察如何支持爱因斯坦的理论，并改变人们看待空间、时间和引力的方式?让我们从一些背景开始。

狭义相对论

1905年是犹太裔德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦科学生涯中最富有成效的一年。那一年，他制定了狭义相对论．这一理论基于两个假设:

首先，该理论适用于相对于彼此以恒定速度运动的系统。为了简单起见，让我们想象一个人坐在火车车厢里。窗户被盖住了，听不到车轮在轨道上的声音。如果火车以恒定速度运动，火车上的人无法通过实验来确定火车的速度，也无法确定火车相对于站台是在运动还是静止。

第二个假设告诉我们，光的传播与其他物体的运动是不同的。光的速度总是恒定的——它不依赖于光源的速度或观察者的速度。举例来说，当我开着我的车问旁边的车开得有多快时，答案取决于我的速度。如果相邻的车和我的车以同样的速度运动，那么它看起来相对于我的车是静止的。但是，如果我开得慢一点，另一辆车看起来就会离我而去。爱因斯坦的见解是，光的行为是不同的——光的速度与测量它的人的运动状态和发出光的光源的速度无关。

你觉得这听起来奇怪吗?嗯，这就更奇怪了!从这两个假设可以得出，如果两个人相对移动，并且他们测量某个物体的长度，他们会得到不同的结果!此外，如果他们测量两个事件之间的时间，他们不会就它们之间的时间达成一致。有时，他们甚至会在哪个事件先发生的问题上意见不一!测量距离、时间和事件的同时性相对这意味着它们取决于进行测量的人的运动状态。爱因斯坦狭义相对论中的距离和时间概念与英国数学家和物理学家艾萨克·牛顿提出的世界观有很大不同。根据牛顿的理论，空间和时间是独立的实体，它们是绝对的——空间测量中的时间和距离的结果与引导它们的人的运动无关。

爱因斯坦理论的一个著名结论是，质量和能量彼此相等，这一结论可以用科学上最著名的公式E = mc来表示²．E代表能量，m代表质量，c是光速。根据这个公式，少量的质量可以转化为大量的能量。在提供核能的反应堆中，这些过程以可控的方式进行。在原子弹中，它们以不受控制的方式发生，导致灾难性的爆炸。在太阳的核心，四个氢核在一个复杂的过程中融合在一起，成为氦核。一个氦原子核的质量比四个氢原子核的质量略小。在这个过程中损失的质量变成了能量，是太阳能量的来源，因此，是地球上生命的来源。

广义相对论

狭义相对论有两个主要的局限性:第一，这个理论只涉及匀速运动的系统;它不考虑加速运动，加速运动是指加速或减速的运动，或者像旋转木马一样改变方向。第二个限制是狭义相对论不能考虑到引力引力是使月球绕地球运行在固定轨道上，使行星绕太阳运行在轨道上的中心力。

在完成狭义相对论之后，爱因斯坦开始寻找一个不受这两个限制的理论。他10年的研究最终找到了广义相对论．该理论的主要思想是，万有引力——两个物体之间的吸引力——不是牛顿理论中的力，而是空间的特征，或者更准确地说，是空间和时间的特征。在爱因斯坦的新理论中，空间和时间被合并为一个实体——时空。在牛顿的理论中，空间和时间是一切物理过程发生的“舞台”。在爱因斯坦的理论中，空间和时间参加在这些过程中，并受其影响。根据爱因斯坦的理论，宇宙中有质量的大质量物体，如行星和恒星，会弯曲它们周围的时空。这意味着在宇宙中移动的物体和光线是在弯曲的时空中移动的。要用容易理解的方式解释这个概念是非常困难的。即使是研究这种现象的物理学家也很难想象弯曲的时空。这些概念最好用数学语言来描述，使用19世纪数学家开发的方法。利用这些方法，1915年，爱因斯坦发现了描述质量对时空结构影响的方程，以及由这种影响推导出的运动方程。这些方程是爱因斯坦最伟大的成就，也是我们了解宇宙的一切的基础——宇宙是如何开始的，它是如何发展的，它的结构是什么。

日食的观测证实了爱因斯坦的理论

当爱因斯坦开始发展他的广义相对论时，他已经知道光束在太阳附近是弯曲的。甚至在他有最终的理论之前，爱因斯坦计算了这些光束的弯曲程度，但是，尽管他当时不知道，他得到的结果比正确的值小了两倍。1913年，爱因斯坦给天文学家乔治·黑尔写了一封信，黑尔是美国最大的天文台威尔逊山天文台的台长。爱因斯坦问黑尔是否有办法在白天观察太阳附近的恒星。黑尔回答说，观测这些恒星的唯一方法是在日全食期间。

你可能仍然想知道为什么需要日食来证明爱因斯坦的理论。首先，重要的是要记住，要看到太阳引力对来自遥远恒星的光的影响，太阳必须在我们和我们所观察的恒星之间——这意味着它应该在白天完成。通常情况下，白天是不可能看到星星的，因为太阳太亮了!但是，在天空黑暗的日食期间，这些恒星是可见的。日食的发生是因为月球绕地球轨道的平面相对于地球绕太阳轨道的平面发生了弯曲。地球、月亮和太阳偶尔会以这样一种方式相交，形成一条直线。当这种情况发生时，月亮遮住太阳，日食就发生了。但是月球太小了，无法在整个地球上投下阴影，因此有些地区会发生完整的日食，而在其他地区则只是局部的日食。

爱因斯坦推断，如果天文学家将日食期间太阳位于地球和恒星之间时拍摄的恒星照片与夜间太阳不在地球和恒星之间时拍摄的恒星照片进行比较，那么恒星的位置似乎会发生变化。如果两张照片中恒星的位置不同，这将表明太阳的引力场弯曲了来自这些恒星的光的路径(图1)．

1914年8月21日，一支德国天文探险队计划在俄罗斯克里米亚地区观测日全食。但随后第一次世界大战爆发，探险队被俘虏，装备被没收。

研究人员终于在1919年5月29日的一次日食中获得了另一次机会(图2)．当时，爱因斯坦已经有了最终的广义相对论，并在此基础上预测了弯曲的速度是他之前假设的两倍。如前所述，这些观测是从索布拉尔和普林西比两个地点获得的。经过几个月的观测分析，这不是一项简单的任务，利用当时可用的资源，探险负责人亚瑟·艾丁顿和查尔斯·戴维森，以及皇家天文学家弗兰克·戴森爵士说，“对索夫拉尔和普林西比的探险结果几乎毫无疑问地表明，太阳周围的光线确实发生了弯曲，它的速率与爱因斯坦的相对论所要求的速率相匹配。”广义相对论的这一预言被两个遥远地点的独立测量所证实，这一事实有助于说服科学界，这一结论实际上是正确的。

爱因斯坦理论的影响

这是一个非常重要的结果。它不仅证实了爱因斯坦的广义相对论，而且还帮助科学家们理解了一种有价值的天文现象引力透镜效应，它可以帮助科学家研究宇宙。光波经过太阳附近时弯曲的量非常小。质量大得多的物体，比如黑洞甚至整个星系，会产生更强的弯曲，以至于我们可以通过望远镜看到这些大质量物体背后的光源。爱因斯坦早在1912年就注意到引力透镜的可能性，但他直到24年后才发表了他的想法和相关计算。

这篇报道英国探险队成功的新闻标题引起了科学界的极大兴奋。这篇文章也引起了公众的兴奋，由于这篇文章发表的时间，这种兴奋被放大了——仅仅在第一次世界大战之后几年，第一次世界大战夺去了数百万人的生命，造成了巨大的破坏。这篇文章提醒人们人类心灵的智慧，并向他们表明，科学领域可以进行国际合作。这激起了新的希望。公众对爱因斯坦的兴趣和钦佩之情空前高涨，他一夜之间成为了超级巨星。爱因斯坦一直享受着这种地位，直到他生命的尽头，直到今天他仍然很有名，很受人尊敬。

作者的注意

Hanoch Gutfreund还分享了关于一份独特手稿重要性的激动人心的见解，该手稿于2021年11月拍卖。这份手稿展示了阿尔伯特·爱因斯坦和他一生的朋友米歇尔·贝索(Michele Besso)如何共同研究爱因斯坦在1913年发表的初步理论的结果。他们的工作成果帮助爱因斯坦在两年后完成了他的广义相对论。了解更多在这里！

更多的阅读

在这篇文章的主题事件发生100周年之际，两本书出版了，描述了它的科学和历史背景:小詹姆斯·盖茨和凯西·佩尔蒂埃，证明爱因斯坦是对的——改变我们如何看待宇宙的大胆探险，阿歇特图书集团，2019年。丹尼尔·肯纳菲克，《毫无疑问——1919年的日食证实了爱因斯坦的相对论》，普林斯顿大学出版社，2019年。

术语表

日食：↑月影:当月球正处于太阳和地球之间时发生的现象，因此月球在地球的一部分上投下阴影

狭义相对论：↑由阿尔伯特·爱因斯坦提出的理论，1905年发表，提出了空间和时间测量的相对论概念。

引力：↑自然界的基本力之一。这是一种作用于物体之间的引力，它受到物体质量和物体之间距离的影响。

广义相对论：↑相对论:爱因斯坦于1915年发表的一种理论，是狭义相对论的延伸，用于研究以变化速度和重力运动的系统

引力透镜效应：↑一种大质量物体的引力使来自这些物体后面的光源的光线弯曲的现象，因此我们的望远镜可以看到它们。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。