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环球科学100年前的这次日食，首次验证了广义相对论


环球科学100年前的这次日食，首次验证了广义相对论
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1919年5月29日拍下的日全食（图片来源：F.W. DYSON, A.S. EDDINGTON, C. DAVIDSON）
今天 ， 罕见的“金环日食”将在我国境内部分地区出现 ， 你准备好观看了吗？对于物理学家来说 ， 日食还是绝佳的“天然实验室” ， 可以帮助他们验证某些重要理论 。 1919年5月29日 ， 英国科学家爱丁顿领导的日全食实验就支持了爱因斯坦提出的广义相对论 。
现在看来 ， 当年爱丁顿力挺爱因斯坦 ， 让广义相对论“一战成名” ， 也使爱因斯坦获得了世界性的影响力 。 但是 ， 有舆论认为 ， 这个实验是为了缓和一战后英国与德国的关系 ， 但当时的实验精度不足以证明广义相对论是正确的 。 这种看法合理吗？当时是实验又是如何开展的？
撰文 | 张华
“只有3个人懂广义相对论”
事情还要从爱因斯坦写出爱因斯坦广义相对论的引力场方程那时说起 。
1915年 ， 爱因斯坦写出了广义相对论引力场方程 ， 这个方程里用到了当时很高深的数学——黎曼几何 。 在这个过程中 ， 爱因斯坦得到了数学家格罗斯曼与希尔伯特的帮助 ， 基本上把这里面的数学问题都搞清楚了——剩下没解决的问题 ， 就是需要用物理实验来验证这个理论的正确性了 。
爱因斯坦开始宣传自己的广义相对论 。 这时的爱因斯坦在德国科学界已经有一定的知名度（因为1905年后德国科学宗师普朗克的大力推荐 ， 爱因斯坦的学术地位飙升 ， 这时已经从专利局职员变为大学教授） ， 但当时的爱因斯坦在英、美等地还没有学术影响力 。
当时是第一次世界大战期间 ， 大战从1914年一直打到1918年 ， 整个欧洲元气大伤 。 爱因斯坦提出的广义相对论不但在数学上太难 ， 而且世界观看起来很奇葩 ， 大家还没功夫搭理 。 1916年 ， 爱因斯坦把自己写的德文版《广义相对论基础》单行本给了交给了他的朋友 ， 荷兰莱顿大学的德西特教授 。 因为荷兰在战争期间是中立国 ， 而德西特教授是英国皇家天文学会的秘书 ， 所以德西特转身把论文寄给了英国剑桥大学的爱丁顿教授 。
环球科学100年前的这次日食，首次验证了广义相对论
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阿瑟·爱丁顿
爱丁顿教授当时是英国皇家天文台的台长 。 尽管还不认识爱因斯坦 ， 但他一眼就看出 ， 这篇论文如果是正确的话 ， 那么它具有划时代的意义 。 但当时英国反德情绪严重 ， 无法发表一篇德文报告 ， 于是爱丁顿就让德西特写了一系列文章来介绍爱因斯坦的理论 ， 并发表在皇家天文学会的会刊上 。
爱丁顿看了英文版的爱因斯坦的论文 ， 终于懂了爱因斯坦的思路 。
有一天采访人员去采访他 ， 问道：“听说世界上只有3个人懂爱因斯坦的广义相对论 ， 请问是谁？”
爱丁顿反问道：“除了我 ， 还有谁？”
爱丁顿确实看懂了爱因斯坦的论文 。 其实在1916年 ， 德国有一个叫史瓦西的天文学家也看懂了爱因斯坦的广义相对论 ， 并且解出了爱因斯坦的引力场方程的静态球对称解 ， 这个解可以精确描述太阳附近的引力场 。
光线本来是沿着直线传播的 ， 但是 ， 在弯曲时空中 ， 光线也会偏折——类似于光线在水面附近的折射 ， 远方的星光在路过太阳的时候会被太阳的引力场所弯曲 ， 而这是可以做实验检验的 。
计算光线偏折
爱因斯坦其实早就觉得引力场会弯曲光线了 ， 他从1911年开始就做了很多计算 ， 后来不断完善 ， 终于在1916年广义相对论成形的时候得到了完整的光线被引力场偏折的理论 。
简单地说 ， 爱因斯坦的广义相对论把时间与空间放在一起 ， 组成了一个弯曲的四维时空 ， 而引力等价于时空的曲率 。 光线是在这个弯曲时空中的一条类光测地线 。


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