物理史話之誰是第三個懂相對論的人愛丁頓

1919年,在非洲西海岸外一個偏僻的小島--普林西比島上,一行人正在焦急地等待著日全食的到來,他們要利用這次日全食來驗證一個4年前剛剛被提出來的理論。當月亮完全把太陽遮住的時候,那行人歡呼了起來,因為他們發現當恆星的光經過太陽附近時出現了些微的偏折,而這正好驗證了那個理論。從此,提出理論的人聲名鵲起(當然了,十多年前在他的奇蹟年的時候,他已經很有名了),而驗證了這個理論的人也同樣獲得了廣泛的關注。這個提出理論的人就是愛因斯坦,他提出的這個理論就是廣義相對論,而這個驗證的人就是本文的主角--英國物理學家--愛丁頓。

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亞瑟·斯坦利·愛丁頓

亞瑟·斯坦利·愛丁頓於1882年出生在英格蘭的肯達爾,他的父親是一個學校的校長。愛丁頓2歲失怙,孀居的母親帶著愛丁頓和他的姐姐離開了肯達爾,定居在英格蘭南部的薩默賽特郡。1893年,愛丁頓進入布賴米寧學校讀書,並在5年後考入曼徹斯特的歐文學院。當時著名的物理學家舒斯特和數學家拉姆正好在歐文學院任教,愛丁頓在他們的薰陶下,對物理和數學產生了濃厚的興趣。1903年,愛丁頓獲得了一份獎學金進入了劍橋大學的三一學院(當年牛頓也在三一學院學習)。1905年,愛丁頓提前從三一學院畢業,2年後當選為三一學會會員,併到格林尼治天文臺擔任首席助理。1914年,愛丁頓擔任劍橋天文臺臺長,此後,他一直擔任這個職務長達30年。

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格林尼治天文臺

1915年,愛因斯坦發表了著名的廣義相對論,並提出三個關鍵性的預言:水星近日點進動、光線在引力場的偏折、引力紅移。愛因斯坦指出,只要這三個預言中有一個與事實相悖,整個理論(廣義相對論)就會瓦解。愛因斯坦本人在完成廣義相對論的提出後,就利用其進行了水星近日點進動的計算。當正確結果出來的時候,愛因斯坦十分激動。事實上,證實廣義相對論後兩個預言的"第一榮譽",落到了愛丁頓的頭上。當時,廣義相對論剛發表的時候,正值第一次世界大戰,英、德兩國是交戰國,愛因斯坦的理論很難傳到英國,不過好在愛因斯坦和中立國荷蘭的德西特關係很好,在德西特的幫助下,愛因斯坦的論文被寄給了愛丁頓。愛丁頓很快就被愛因斯坦的論文迷住了,兩年後,他就發表了用英語介紹廣義相對論的著作《關於引力相對論的報告》。接著,愛丁頓決心用天文觀測來證實廣義相對論的後兩個預言:光線在引力場的偏折、引力紅移。

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愛因斯坦與愛丁頓

平時,由於太陽光強烈的散射,人們根本無法測出星光經過太陽邊緣時所發生的偏折。只有在日全食時拍攝太陽附近的星空圖,再與太陽遠離該處時的星空圖加以對比,才可能驗證廣義相對論的預言。1919年5月29日這天,不僅發生了日全食,而且太陽還處在最佳的位置--一大團明亮群星(畢宿星團的一部分)中間,這是一個千載難逢的好機會。英國派出了兩個考察隊分別到西非的普林西比島和巴西的索布臘爾觀測這次日全食。結果兩個考察隊所觀測到星光的偏折角都與廣義相對論的預言相符合(在一定誤差範圍內)。這件事情在全世界引起了轟動,其情況之熱烈,在科學史上都是空前的。

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記錄愛丁頓那次日全食觀測的報紙

1784年的時候,英國業餘天文學家古德里克發現了造父一的亮度呈週期變化。後來人們相繼發現了一些跟造父一具有相似變化週期的變星,這類變星後來就被命名為造父變星。到1912年的時候,美國女天文學家勒維特發現了造父變星的光度和光變週期之間存在一定的關係,但是造成這種週期性光變的原因是什麼呢?愛丁頓在研究後指出,這是由於變星在週期性地收縮和膨脹所引起的。到1918年的時候,愛丁頓發表了兩篇專門論述造父變星的論文,對其週期性脈動作了深入的理論研究。1924年,愛丁頓又計算出了天狼星的伴星是一顆體積很小、密度很大的恆星。到這裡,似乎跟驗證愛因斯坦的預言沒有什麼關係,但是愛丁頓並沒有止步。

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天狼星

愛丁頓認為像天狼星伴星這種體積極小,但質量與太陽差不多的恆星來說,它表面的引力場要比太陽表面的強很多,因此從它表面發出的光譜線的引力紅移必然也要大得多(因為像太陽這種正常的恆星,引力紅移很難測得)。於是愛丁頓給美國天文學家亞當斯寫信,指出由廣義相對論算出的天狼星伴星的引力紅移相當於視向速度為20公里/秒的多普勒紅移。愛丁頓建議亞當斯測量一下這顆伴星的引力紅移效應。亞當斯在次年測出了天狼星伴星的光譜線的引力紅移,結果跟愛丁頓的計算完全吻合,這再一次驗證了廣義相對論的正確性(2016年的引力波的發現,再次證實了廣義相對論的正確)。

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引力紅移

愛丁頓不僅為證實廣義相對論作出了重要的貢獻,還撰寫了很多介紹廣義相對論的書,比如《空間、時間和引力》、《相對論的數學理論》等,其中《相對論的數學理論》被愛因斯坦本人認為是介紹相對論最好的一本書。當愛丁頓證實光線在引力場的偏折預言後,曾有記者問愛丁頓說:是否全世界只有三個人真正懂得相對論。愛丁頓思考了一會兒說:我正在想這第三個人是誰?

愛丁頓一直都致力於將量子理論、相對論和重力理論統一起來,形成一個"基本理論"。在尋求這個"基本理論"的過程中,愛丁頓從引力常數G、光速c、普朗克常數h、裡德堡常數R、電子電荷e和電子質量m等常數中導出過一個無量綱的數。儘管愛丁頓的宇宙模型現在已經被證明是不正確的,但是他關於粒子的相對論力學研究、宇宙模型以及對一些常數的探索,都對狄拉克、錢德拉塞卡等人產生過重大的影響。

說到錢德拉塞卡,就不得不要說他和愛丁頓之間相愛相殺的故事了。錢德拉塞卡是來自印度的物理學家,在1930年代,錢德拉塞卡通過研究白矮星之後得出了一個驚人的結論:白矮星的質量有一個最大上限--殘星的星核要小於1.4倍太陽質量。如果超過這個極限,白矮星會全面坍塌,其密度將會趨於無窮大,而半徑會塌縮到非常小,小到在天體物理學上沒有任何實際意義。但是當時英國的天體物理巨頭是愛丁頓等三人,他們都一致認為恆星永遠不會塌縮為一個點。1935年,愛丁頓就曾經說過這樣一句話:必然會有一條自然定律來阻止恆星的這種荒唐行為。語氣十分的傲慢。錢德拉塞卡那時候只有24歲,自信心因此受到嚴重打擊,一度讓他中斷了這個課題的研究,並持續了數十年。然而,20多年後,"錢德拉塞卡極限"--白矮星質量能達到的最高限度,卻作為一個基本參數,出現在天體物理學的教科書上。1983年,錢德拉塞卡也因此而獲得了諾貝爾物理學獎。不過這時候,愛丁頓墓木早拱。

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錢德拉塞卡

1944年,愛丁頓在劍橋去世,享年62歲。


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