原標(biāo)題：105年前就能驗(yàn)證愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論！卻被一戰(zhàn)打亂

眼下，最爆炸性的新聞就是“人類公布了首張黑洞的照片”，這不僅是人類對(duì)宇宙研究的巨大突破，也證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的理論正確性。今天（4月11日），恰巧是愛(ài)因斯坦發(fā)表相對(duì)論114周年紀(jì)念日，在這一紀(jì)念日的前夜發(fā)布首張黑洞照片，無(wú)疑是對(duì)偉大科學(xué)家愛(ài)因斯坦和他的相對(duì)論的最好紀(jì)念。

那么，什么是相對(duì)論？“狹義相對(duì)論”與“廣義相對(duì)論”有啥區(qū)別？廣義相對(duì)論中核心問(wèn)題“光線彎曲”是啥時(shí)候被證實(shí)的？

在這個(gè)特殊的紀(jì)念日，讓我們一起看看這些焦點(diǎn)問(wèn)題和鮮為人知的故事。

相對(duì)論簡(jiǎn)述

在愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論提出以前，人們認(rèn)為時(shí)間和空間是各自獨(dú)立的絕對(duì)的存在，自伽利略時(shí)代以來(lái)這種絕對(duì)時(shí)空的觀念就開(kāi)始建立，牛頓創(chuàng)立的牛頓經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典運(yùn)動(dòng)學(xué)就是在絕對(duì)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上創(chuàng)立。

1905年4月11日，愛(ài)因斯坦在牛頓經(jīng)典力學(xué)、麥克斯韋經(jīng)典電磁學(xué)等的基礎(chǔ)上首次提出了“四維時(shí)空”的概念，它認(rèn)為時(shí)間和空間各自都不是絕對(duì)的，而絕對(duì)的是一個(gè)它們的整體——時(shí)空，在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的觀者可以建立“自己的”參照系，可以定義“自己的”時(shí)間和空間（即對(duì)四維時(shí)空做“3+1分解”），而不同的觀者所定義的時(shí)間和空間可以是不同的。

狹義相對(duì)論建立在如下的兩個(gè)基本公設(shè)上：

狹義相對(duì)性原理：一切的慣性參考系都是平權(quán)的，即物理規(guī)律的形式在任何的慣性參考系中是相同的。這意味著物理規(guī)律對(duì)于一位靜止在實(shí)驗(yàn)室里的觀察者和一個(gè)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室高速勻速運(yùn)動(dòng)著的電子是相同的。

光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑僭谌魏螀⒖枷迪率呛愣ú蛔兊?。也正是由于光子有這樣的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，在國(guó)際單位制中使用了“光在真空中1/299792458秒內(nèi)所走過(guò)的距離”來(lái)定義長(zhǎng)度單位“米”（米）。

廣義相對(duì)論概要

在提出相對(duì)論以后，經(jīng)過(guò)10年的研究和觀察，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了狹義相對(duì)論在解釋時(shí)空時(shí)的局限性，又于1915年提出了廣義相對(duì)論理論。

他首先注意到了被稱之為（弱）等效原理的實(shí)驗(yàn)事實(shí)：引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量是相等的。這一事實(shí)也可以理解為，當(dāng)除了引力之外不受其他力時(shí)，所有質(zhì)量足夠小（即其本身的質(zhì)量對(duì)引力場(chǎng)的影響可以忽略）的測(cè)驗(yàn)物體在同一引力場(chǎng)中以同樣的方式運(yùn)動(dòng)。既然如此，則不妨認(rèn)為引力其實(shí)并不是一種“力”，而是一種時(shí)空效應(yīng)，即物體的質(zhì)量能夠產(chǎn)生時(shí)空的彎曲，引力源對(duì)于測(cè)驗(yàn)物體的引力正是這種時(shí)空彎曲所造成的一種幾何效應(yīng)。這時(shí)，所有的測(cè)驗(yàn)物體就在這個(gè)彎曲的時(shí)空中做慣性運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡正是該彎曲時(shí)空的測(cè)地線，它們都遵守測(cè)地線方程。正是在這樣的思路下，愛(ài)因斯坦得到了其廣義相對(duì)論。

一戰(zhàn)添亂

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中關(guān)于“光線彎曲”理論的證實(shí)有一個(gè)曲折的故事，這個(gè)故事與第一次世界大戰(zhàn)有關(guān)。一戰(zhàn)打亂了愛(ài)因斯坦的計(jì)劃，卻也讓愛(ài)因斯坦因禍得福。

1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表了《狹義相對(duì)論》后，很快發(fā)現(xiàn)自己的新理論只適用于勻速運(yùn)動(dòng)的慣性系中，而真實(shí)世界并不是勻速運(yùn)動(dòng)的，而且他還發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論并不能解釋牛頓的萬(wàn)有引力定律，這就讓愛(ài)因斯坦陷入煩惱之中了。

愛(ài)因斯坦一直尋求解決《狹義相對(duì)論》缺陷的辦法。從1907年到1911年，愛(ài)因斯坦一直致力于如何把萬(wàn)有引力納入到相對(duì)論中。他曾這樣思考，如果把引力的本質(zhì)描述為時(shí)空彎曲會(huì)怎樣？如果空間是彎曲的，那么在彎曲的空間周圍射過(guò)一條光線，按照自己的理論，這條光線就是彎曲的。愛(ài)因斯坦意識(shí)到自己揭開(kāi)了宇宙的神秘面紗。但是該怎么證明自己的新理論呢？ 生活中的物體質(zhì)量太小了，根本不足以達(dá)到彎曲光線的程度。那么找什么物體才合適呢？對(duì)，這就是太陽(yáng)！

如果太陽(yáng)背后的星體發(fā)出來(lái)的光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)周圍時(shí)被彎曲了，那么這就表明自己的理論是正確的。但是該怎么觀察呢，太陽(yáng)實(shí)在是太亮了，除非有物體遮住太陽(yáng)。所以愛(ài)因斯坦認(rèn)為只有日全食的時(shí)候才能證明自己理論的正確性。

愛(ài)因斯坦提出有質(zhì)量的物體可以彎曲周圍的時(shí)空這一結(jié)論是在1912年，而下一次日全食則是在1914年8月21日。于是愛(ài)因斯坦給全球著名的天文臺(tái)寫(xiě)信尋求幫助，希望他們可以去拍攝日全食的照片。幸運(yùn)的是，愛(ài)因斯坦的尋求信得到了柏林天文臺(tái)的一位年輕助手的回應(yīng)，這就是歐文芬利。他們立即組成了觀測(cè)隊(duì)，其中包括來(lái)自美國(guó)著名天文學(xué)家威廉坎貝爾。他們發(fā)現(xiàn)1914年8月21日的日全食最佳觀測(cè)地段位于俄國(guó)的克里米亞半島。于是德國(guó)天文學(xué)家歐文芬利和美國(guó)天文學(xué)家威廉坎貝爾去了俄國(guó)。

但是很不幸，在日全食將要來(lái)臨的一個(gè)月內(nèi)，世界第一次大戰(zhàn)爆發(fā)了！德皇對(duì)俄國(guó)宣戰(zhàn)，可怕的事發(fā)生了，俄國(guó)軍人搜查了在克里米亞半島觀測(cè)日全食的這群天文學(xué)家，但這并非是致命性的打擊，因?yàn)橥藏悹柺莵?lái)自保持中立的美國(guó)，他并沒(méi)有被逮捕，而作為德國(guó)人的歐文芬利則以間諜罪被捕入獄，所有觀測(cè)儀器還被俄國(guó)人沒(méi)收。就這樣，第一次證明相對(duì)論正確性的機(jī)會(huì)就在指尖溜走了！

因禍得福

愛(ài)因斯坦很是苦惱，證明自己的機(jī)會(huì)就這樣溜走了?？珊芸?，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)自己的理論有數(shù)學(xué)錯(cuò)誤，如果上次日全食真的觀測(cè)成功了，那么按自己原先的理論算出來(lái)的光線偏折只是觀測(cè)數(shù)據(jù)的一半。就這樣，愛(ài)因斯坦因禍得福，因?yàn)樽约旱穆殬I(yè)生涯得到了挽救。愛(ài)因斯坦接下來(lái)致力于尋找數(shù)學(xué)工具來(lái)完善自己的理論，也就是建立廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程式。

事實(shí)上，愛(ài)因斯坦的數(shù)學(xué)功底相對(duì)于當(dāng)時(shí)的數(shù)學(xué)家來(lái)說(shuō)是遜色的，他曾經(jīng)把自己在建立引力場(chǎng)方程中遇到的問(wèn)題演講給科學(xué)界人士，而觀眾席上就有大名鼎鼎的數(shù)學(xué)家希爾伯特。在希爾伯特看來(lái)，這完全是個(gè)純數(shù)學(xué)問(wèn)題，并認(rèn)為自己可以解決這個(gè)問(wèn)題。這時(shí)候愛(ài)因斯坦有了緊迫感，他和希爾伯特爭(zhēng)分奪秒，看誰(shuí)可以提前發(fā)布廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程。這時(shí)候愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，自己的新理論隱藏在一個(gè)困擾眾多天文學(xué)家的謎題中，按照牛頓力學(xué)，水星的運(yùn)行軌道是規(guī)則的，但是觀測(cè)事實(shí)卻表明水星運(yùn)行軌道偏離了公轉(zhuǎn)軌道，這就是著名的水星進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。而愛(ài)因斯坦認(rèn)為，自己的引力理論完全可以解釋水星進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。1915年，愛(ài)因斯坦和希爾伯特幾乎同時(shí)得到了廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)公式，而希爾伯特卻很大度的把這一結(jié)果承讓給了愛(ài)因斯坦。

第二年，愛(ài)因斯坦完整發(fā)表了廣義相對(duì)論，并給出了太陽(yáng)背后天體光線的偏移程度。接下來(lái)就是尋找下一次日全食嘍！天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，下一次日全食將在1919年5月29日的西非上演，于是大家就在靜靜的等待著，而此次觀測(cè)任務(wù)由著名天文學(xué)家愛(ài)丁頓帶隊(duì)，并成為這次觀測(cè)日全食的決定性人物。1919年5月29日，愛(ài)丁頓成功拍攝了日全食及其背后天體光線的照片。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的數(shù)據(jù)分析，愛(ài)因斯坦的引力方程預(yù)言的太陽(yáng)彎曲了周圍空間并導(dǎo)致其光線偏移的數(shù)據(jù)完全符合觀測(cè)數(shù)據(jù)。就這樣，愛(ài)因斯坦一鳴驚人，這一爆炸消息也得到了媒體的瘋狂報(bào)道，有人高呼“牛頓錯(cuò)了！”。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論在1919年首次被日全食驗(yàn)證。而整整100年后，2019年4月10日，現(xiàn)代天文學(xué)家用集體智慧發(fā)布了首張“黑洞”照片，更加證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的正確性。經(jīng)過(guò)100多年的努力，在偉大的愛(ài)因斯坦的偉大理論引導(dǎo)下，人類開(kāi)始走向更深更遠(yuǎn)的宇宙！