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贡献来源:光明日报

光在经过一个巨大物体附近时会弯曲，这是广义相对论的一个重要预测。然而，对这一预测的验证经常被戏剧化、简单化和夸大化，这与科学史的历史事实大相径庭。那么，真正的情况是什么？

在法国电影《爱因斯坦》中，艺术地再现了爱因斯坦的一生(央视八套《世界名著与名片欣赏》分别于2002年11月17日上半年23时30分和2002年11月24日下半年23时30分推出并播出)，有这样一个场景。1919年秋天的一天，在德国柏林，爱因斯坦拿着一张黑色的照相底片，对普朗克说:

广义相对论的一个重要预测是，光线在经过一个巨大物体附近时会弯曲。然而，对这一预测的验证经常被戏剧化、简单化和夸大化，这与科学史的历史事实大相径庭。笔者认为，围绕光弯曲的预测和验证，有三个历史事实需要澄清。

首先，光弯曲不是广义相对论的唯一预测。根据牛顿力学，早在1801年，约翰·冯索德纳(1766-1833)就将轻粒子视为质量粒子，并预测当光穿过太阳边缘时，将发生0.87角秒的偏转。爱因斯坦在1911年是布拉格大学的教授，他根据相对论计算出在日食期间，太阳边缘的星光会偏转0.87角秒。1912年回到苏黎士的爱因斯坦发现空是弯曲的。到1915年，曾在柏林普鲁士科学院工作的爱因斯坦将太阳边缘的星光偏转校正到1.74角秒。

其次，有必要观察光线是否弯曲，更重要的是，观察光线弯曲的程度，从而判断哪种理论与观察到的数据更一致。这里的一个关键因素是观测精度。即使观测结果否定了牛顿理论的预测，也并不意味着它支持广义相对论的预测。只有当观测值在允许的误差范围内与爱因斯坦的预测一致时，我们才能说观测结果支持广义相对论。20世纪60年代初，一种新的引力理论brans-dicketheory也预测星光会被太阳偏转，这比广义相对论预测的小8%。为了区分广义相对论和布兰兹-迪克理论中哪一个更符合观测结果，对观测精度提出了更高的要求。

第三，光线弯曲的效果不能用肉眼在望远镜或摄影胶片上看到。光的偏转量需要经过一系列的观察、测量和还原后才能得到。为了测试穿过一个巨大物体附近的光线的弯曲程度，最好的机会是在日全食期间对太阳所在的附近天空区域进行摄影观测。在日全食期间拍几张底片，然后在半年后的同一天拍几张底片。通过测量相隔半年的两组底片，可以确定星光偏转的程度。还应该指出，即使在日全食期间，眼冒金星也不可能靠近太阳边缘。以1973年的一次观测为例，大多数拍摄到的恒星都集中在离太阳中心5至9个太阳半径的地方，因此必须根据计算出的曲线外推太阳边缘的星光偏转。离太阳最近的一两颗恒星通常会强烈影响最终结果。

在做了以上澄清之后，让我们来看看这篇文章开头提到的爱因斯坦电影中的艺术表现，这种艺术表现太过了，以至于不能愚弄观众；一些科学书籍中的陈述，如“爱丁顿率领代表团到南非观看日食，并真正看到了它”，过于粗糙和误导。那么，验证光弯曲预测的真实历史是什么？

爱丁顿对测试广义相对论中光弯曲的预测非常感兴趣。为了观察1919年5月29日日全食期间光线的弯曲，英国组织了两次观测考察。一个小组去了巴西北部的索布拉尔，另一个小组去了非洲几内亚湾的普林西普岛，爱丁顿加入了后一个小组，但是他的运气不好，在日全食期间，普林西普岛的天气条件不是很好。1919年11月，两个观察组的结果有所减少:索布拉尔观察组的结果为1.98±0.12；原则的结果是1.61“0.30”。1919年11月6日，英国宣布光线按照爱因斯坦预测的方式偏转。

然而，这一宣布是仓促的，因为两个观察小组计算的最终结果后来受到了怀疑。天文学家知道，在像检查光线弯曲这样复杂的观测中，有许多因素会导致最终结果的误差。其中影响最大的因素之一是温度的变化，温度的变化导致大气扰动模型的变化、望远镜调焦系统的变化以及因热胀冷缩引起的摄影胶片尺寸的变化。这些变化导致最终测量结果的系统误差大幅增加。爱丁顿显然意识到温度变化对仪器精度的影响。他们在报告中说，小于10华氏度的温差可以忽略不计。然而，Sobral的夜间温度为75°f，白天温度为97°f，昼夜温差为22°f。后来，研究人员考虑了温度变化的影响，重新计算了Sobral的负片。光的最大偏转可达2.16″±0.14″。

底片的成像质量也影响最终结果。1919年7月，在索布拉尔共拍摄了26张对比底片，其中19张是由格林威治皇家天文台的天文摄影仪器拍摄的，但这台专门用于天文摄影观测的仪器拍摄的底片质量较差，另一台4英寸望远镜拍摄了7张成像质量较好的底片。根据前19张底片计算的光的偏转是0.93英寸，但是根据后7张底片计算的光的偏转远远大于爱因斯坦的预测值。最后公布的数值是所有26张底片的平均值。经过检查，研究人员发现，如果去掉一两颗成像质量差的恒星，最终结果将会有很大改变。

后来，当日食发生在1922年、1929年、1936年、1947年和1952年时，世界各地的天文学家组织观测来检查光的弯曲，公布的结果与广义相对论的预测非常一致，而其他的则严重不一致。然而，到了20世纪60年代初，天文学家开始相信太阳有星光偏转，并相信爱因斯坦预测的偏转比牛顿力学预测的更接近观测，但爱因斯坦的理论可能需要修正。

1973年6月30日的日全食是20世纪第二长的日全食，当日全食发生时，太阳位于银河星空的背景中，这非常有利于检查光线的偏转。美国人在毛里塔尼亚的沙漠绿洲欣盖蒂建造了一个特殊的隔热舱进行观测，并为提高观测精度做了细致的准备，如将暗室和胶片冲洗液保持在20℃，监测整个仪器的温度变化等。拍摄完日食照片后，观察小组封闭了小屋，用水泥密封了望远镜上的止动销，并在11月初回去拍摄了一部对比电影。用精心设计的计算程序对所有观测结果进行分析后，发现星光在太阳边缘的偏转为1.66″±0.18″。这一结果再次证实了广义相对论的预测比牛顿力学的预测更符合观测，但很难排除以前提出的布兰兹-迪克理论。

光学观测的精度似乎已经达到了极限，但从1974年到1975年，福莫伦特和斯拉梅克用很长的基线干涉仪观察了太阳对三个无线电源的偏转，最终得出太阳边缘的无线电源的微波偏转了1.761″±0.016″。最后，天文学家以不到1%的精确度证实了广义相对论的预测，只是他们观察到了不可见的微波而不是可见光。

所以，我们只能说爱因斯坦的广义相对论直到1975年才成为“正确的”理论吗？上升到科学？

根据本文提出广义相对论后半个多世纪对光弯曲预测的检验，1919年的所谓验证在一定程度上是不合格的。但毫无疑问，爱因斯坦为这一验证赢得了巨大的荣誉。今天的媒体和大多数科学历史学家也认为1919年的日食观测证实了爱因斯坦的理论。那么爱因斯坦本人如何看待他的理论预测和观察验证呢？

早在1914年，爱因斯坦还没有计算出正确的光偏转值，他已经在给贝索的信中说:“无论日食观测是否成功，我对整个理论体系的正确性都没有怀疑。”另一个故事也广为流传，说爱因斯坦在课堂上听到他的预测被证实的消息，一个学生问他如果他的预测被证明是错误的，他会怎么做。爱因斯坦回答说:“那我会为我亲爱的上帝感到难过，毕竟我的理论是正确的。”爱因斯坦在1930年写道:“我认为广义相对论的主要意义不在于预测一些微弱的观测效应，而在于其理论基础的简单性。”

在爱因斯坦看来，广义相对论固有的简单性保证了它的“正确性”。1919年的确认确实给爱因斯坦带来了荣誉，但这是科学之外的事情；1919年的确认可能会使更多的人“相信”广义相对论是“正确的”，但在很大程度上，这种确认只起到了“说服”的作用。从科学史的角度来看，精确数学科学的进步模型确实有这样的规律和特点:它们往往是用当时最高最深的数学知识构建的精密理论模型，它们的“正确性”在很大程度上是由它们内在的简单性和统一性所保证的。尽管它们必然会给出可检验的预测，例如哥白尼的日心说预测了恒星的年视差，爱因斯坦的广义相对论预测了光的弯曲，霍金的黑洞理论预测了霍金辐射，但这些理论应该而且可以被视为科学理论，而无需等待这些预测得到证实。

那么，除了给爱因斯坦带来科学的荣誉之外，“预言的证实”还有其他意义吗？作者认为科学界通过观察接受某一理论是非常重要的。在像爱因斯坦这样的理论支持者中，他相信理论的正确性有内在的保证。对于更多的人来说，他们无法在深刻理解理论的基础上判断理论的正确性，所以他们只能采用“预测-证实”的模式来判断理论的正确性，这在其他场合也是有效的。这个“更多的其他人”包括一个复杂的群体，从更专业的研究人员到普通大众。在理论支持者和“更多其他人”的眼中，理论“正确性”的标准显然是不一致的。爱因斯坦在1914年确信他的理论是正确的；在1919年，从报纸和其他媒体上了解到科学信息的公众相信爱因斯坦是正确的；在更专业的研究人员中，经过半个多世纪的反复试验，他们才敢说广义相对论在当时是正确的。(牛)