科学随笔：一百多年前的日全食观测
1914年7月底，29岁的弗劳德里希（Erwin Finlay-Freundlich）带着几位助手从德国出发，入境俄罗斯前往克里米亚观测即将到来的日全食。不料，第一次世界大战突然爆发。他们一夜之间沦为敌国人员，因携带庞大望远镜和摄影设备被认作间谍。在日全食应该发生的8月21日，弗劳德里希只能在敖德萨的监狱里仰天长叹。
远在德国柏林大学的爱因斯坦（Albert Einstein）没能等到他翘首以盼的好消息。
七年前，那时也才28岁的爱因斯坦是瑞士专利局的小职员。他某天坐在桌前冥思苦想时灵机一动：一个正在空中坠落的人不会感觉到自己的体重。这个简单的念头让爱因斯坦兴奋不已，后来称之为一辈子“最快乐的想法”。
那个倒霉的人不会快乐，他的失重也不是主观错觉。假想他正站在秤面上，脚下的压力迫使秤内的机制显示出他的体重。如果地板在那一刻塌陷，他和秤会同时落下。
大约三百年前，与爱因斯坦同样年轻的伽利略（Galileo Galilei）在意大利的比萨斜塔上扔下两个重量不同的球，以它们同时着地的事实证明物体下落的速度与重量无关。同样，爱因斯坦脑子里的人和秤也会以同样的速度下落。那个人的脚底不再压迫着秤面，秤随即会显示该人的体重为零。
同时，秤面与那人若即若离，不会分开。如果那人松开手里拿着的苹果，苹果也继续停留在手边“不动”。忽略空气阻力，地板塌陷后屋子里所有物体都在以同一速度下落，保持着彼此原有的距离和方位。那个人可能神情恍惚，不知道他是在坠落之中还是突然进入了一个没有重力的世界。
这后一个情形在今天的宇航电影里司空见惯，爱因斯坦那时却只能凭空想象。但他睿智地指出，那个人思维再清晰也不可能分辨出两个情形的区别。除非房子有窗户，他能够以外面物体的动静作参照。
即使屋子里一如往常，那个人站在秤上时也没法知道称出的是否真是自己的体重。也许他的屋子处于没有重力的世界，却在加速上升。运动的惯性将他压在秤面上，宛如重力。那正是爱因斯坦最快乐的想法：加速运动有着与重力相同的效果，无从辨别。他把这一发现命名为“等效原理”（principle of equivalence）。
仅仅两年前，爱因斯坦完成基于“相对性原理”（principle of relativity）的狭义相对论。由于所有物理定律在惯性参考系里表现一致，一个封闭房间里的人无法判断房子是静止还是在做匀速运动。那只是一个“狭义”的理论，因为相对性原理不适用于加速运动的非惯性参考系。封闭房间里的人完全可以通过他的“体重”判断房子是否在坠落。等效原理因而是相对论走向包容所有运动之“广义”的途径。
不过加速运动与重力的等效要求房间里所有物体都在重力场中做同样的加速运动，包括没有质量的光。如果那个人在一面墙上设置光源，让一束光水平地投射到对面墙上，光斑会出现在与光源同样高度的地方。这与房间是否处于地球表面无关，因为光的传播不受重力影响。而如果房间是在向上做加速运动，光束离开墙面后在竖直方向只有墙面当时的速度，不会自己再加速。抵达对面墙上的光斑势必落后，位置在比光源稍低。这样，房子里的人看到光在加速运动参照系里走的是弯曲路径，而在重力场中保持直线。两个情形泾渭分明，违反等效原理。
于是，年轻的爱因斯坦不由分说地宣布：光线在重力场中也必须弯曲。
二百多年前，爱因斯坦这个看法理所当然。那时的牛顿（Isaac Newton）认为光由肉眼不可见的微粒组成，与苹果、人体和月亮一样有质量，其运动受地球重力的影响。1因为光的质量太小，光线在重力场中的弯曲无法察觉。太阳的引力比地球大得多，对光的影响也应该更为显著。德国物理学家索尔德纳（Johann Georg von Soldner）在18世纪初计算出远方的星光在经过太阳边缘会发生约0.84角秒的偏折。这大致为地球上所见最明亮星星的宽度，或者所见月亮直径的两千分之一。虽然非常小，那也是现代天文望远镜足以分辨的距离。但索尔德纳生不逢时，牛顿的光理论早已成为历史遗迹。后辈物理学家确信光是没有质量的波动，不会因地球或太阳吸引改变方向。索尔德纳的论文无人问津。
一个世纪后的爱因斯坦可能压根不知道索尔德纳。他在1911年发表论文，指出光在通过太阳边缘时会发生0.84角秒的偏折。宿敌、诺贝尔奖获得者莱纳德（Philipp Lenard）曾据此指控爱因斯坦剽窃索尔德纳。2其实两人的出发点迥然相异。爱因斯坦并不认为光是因为有质量而被太阳吸引。不过他的结论与索尔德纳一致也绝非巧合。
伽利略的比萨斜塔实验只是一个美丽的传说，但也是物体在引力场中的运动与质量无关这一个科学事实的形象表述。当然伽利略那时候不知道引力场的存在，也还只是用实验探寻物体运动规律的第一人。3半个世纪后，牛顿揭示物体运动的加速度与所受的力成正比，与自身质量成反比。同时，两个有质量的物体之间存在万有引力，与它们的质量成正比。物体在引力场中的运动便是由与质量成正比的力决定与质量成反比的加速度。质量正好被抵消，不影响物体的运动状态。于是，质量不同的球从比萨斜塔下落时会同时着地。它们在太阳附近时也会像地球、彗星等天体一样地拐弯。运动的轨迹只决定于速度和与太阳的距离。
正因为如此，索尔德纳不需要知道光微粒的质量就能计算出它们在太阳附近的偏折。爱因斯坦从等效原理出发也认为光纵然没有质量，在引力场中仍然以同样的弯曲路径运动。因为光的速度非常大，即便紧贴着太阳边缘也只发生0.84角秒的偏折。
其实，即使伽利略和牛顿之后的物理学家接受物体在引力场中运动与质量无关这一事实，其背后的原因也让他们困惑多年。在动力学方程中出现的其实是两个不同的质量。一个是物体互相吸引时的“引力质量”，另一个是加速运动时的“惯性质量”。它们并没有理由彼此相等而抵消。还是爱因斯坦的等效原理一锤定音：引力和加速运动本来就是一回事。
有意思的是，爱因斯坦“最快乐想法”背后也有一个不那么著名但同样没有根据的传说：那天专利局附近有一位油漆工不幸从脚手架上摔落，触发小职员的灵感。
当爱因斯坦在20世纪初重新提出光线会在引力场中拐弯时，那已经是一个匪夷所思的奇谈怪论。但与索尔德纳一样，爱因斯坦认为那0.84角秒是天文学家能够实际验证的差别。
地球的夜空群星璀璨。无以计数的星星将光亮毫无阻碍地传到地球，让我们记录它们所在的方位。星星的位置不会变动，是为“恒星”。如果在某颗星正好处于太阳边缘时测量它的方位，与它在没有太阳时的位置比较，就能确定其光路是否因太阳的引力偏折。当然，太阳本身的光亮非常强烈。我们不可能在它边缘捕捉到背后的微弱星光。只有在日全食时，月亮将太阳的光尽数阻挡，背后的星星才可能露面，让索尔德纳和爱因斯坦的检验成为可能。
据史料记载，希腊先哲泰勒斯（Thales）曾预言日全食在公元前585年5月28日发生。那次日全食促使两支酣战中的军队息兵媾和，留下历史佳话。古希腊哲人知道日全食的原因，也已经掌握太阳和月亮的轨道周期，的确有能力预测地球、月亮和太阳形成一条直线的日子。不过因为月亮和地球的大小相差巨大，日全食发生时地球上只有非常狭窄的地带能够观察到。泰勒斯不可能确定那天的日全食会在他所在的地域出现。他的预言应该只是事后编造的轶事。
只有在牛顿动力学问世之后，人类才能够精确地预言日全食发生的时机和地域。天文学家因而可以事先计划针对这一壮丽景象的观测。长期以来，他们关注的是太阳本身，尤其是只在日全食时可见的日冕（corona）：太阳最外层的蓬勃光焰。没有人注意过太阳边缘是否出现过星星。他们拍摄的照片也尽可能地让太阳占据整个画面，没有为星星留下余地。而且，他们使用的是拍摄太阳的简单望远镜。捕捉微弱的星光需要长时间曝光，望远镜不仅必须非常稳定，还要能平稳地跟踪因地球自转带来的星星位置变化。这样的天文望远镜一般只在固定的天文台中使用，很少万里迢迢地去野外施展。因为理论的离奇和实际的困难，离开专利局进入学术界不久的爱因斯坦无法说服天文学家合作。只有刚获得博士学位的弗劳德里希愿意一搏。他俩将目标锁定于将在1914年夏天的北欧及加拿大出现的日全食。俄罗斯境内的克里米亚是最方便的观测点。
1914年时，爱因斯坦已经成为柏林大学的名牌教授，利用地位和声望为弗劳德里希筹集到所需资金。他们没想到会遭遇突如其来的世界大战。
日全食过去一个多月后，弗劳德里希在战俘交换中回国。他才知道即使没有战争也命中注定无法完成使命。那天克里米亚下雨，美国利克天文台一个团队到了那里也没能看到日全食。
祸兮福所倚。没有人知道倘若弗劳德里希或利克的天文学家如愿以偿会如何改写20世纪初的物理学史。因为仅仅一年后，爱因斯坦将抽象的等效原理发展为完整、精确的广义相对论。光在引力场中的弯曲有了新的解释。那是因为太阳附近的空间因其质量弯曲，没有质量的光在其中走最短程的“直线”，实际成了曲线。当爱因斯坦重新计算光的轨迹时，他赫然发现结果并不与牛顿力学直接“等效”。广义相对论中太阳边缘的星光会出现1.75角秒的偏差，是原先估算的两倍。
于是，光的弯曲在牛顿力学和广义相对论中不仅有不同的解释，还有着定量的分歧。这个可以直接验证的区别也让爱因斯坦信心倍增。同样，新理论计算出的水星轨道近日点进动与牛顿力学结果也有细小差异，正好与观测结果完全符合，解决已经让牛顿力学束手无策几十年的大难题。美中不足，那只是对一个已知现象的解释，不属于更具说服力的理论预言。光在太阳边缘会偏折1.75而不是0.84角秒则是广义相对论的预测，可以与牛顿力学一决高下。
无奈的是德国和欧洲都已陷入战乱。弗劳德里希虽然脱离险境，他的设备被俄方尽数扣留，两手空空无力再度追逐日全食。
美国在战争初期保持中立。利克天文台的人员虽然自由进出克里米亚，他们的设备也被战争搁置在俄国境内，没能在随后1916和1918年的两次日全食中得到可靠结果。与弗劳德里希相反，利克的天文学家相信光不受引力影响。他们力图证明爱因斯坦的错误，却也劳而无功。
在英国，格林威治天文台和剑桥天文台两位台长戴森（Frank Watson Dyson）和爱丁顿（Arthur Eddington）都把目光聚焦于1919年5月29日的日全食。戴森拥有王家天文学家头衔，在英国天文学界一言九鼎。爱丁顿身属极端和平主义的“贵格会”（Quaker），正因拒绝服兵役面临牢狱之灾。戴森提议让爱丁顿为国效力，以远征观测日全食代替服兵役。这正中爱丁顿下怀。爱因斯坦是敌国科学家。爱丁顿那时只能通过中立国荷兰同行间接了解广义相对论，已经为之折服。如果他在战争中证明该理论，无疑会彰显科学高于国界的理想，也许有助于为世界带来和平。
1919年日全食的日子与2500多年前泰勒斯那次只差一天，也具备独特的天时地利。太阳那时位于黄道十二宫的金牛座（Taurus），背景是其中繁星密集的毕星团（Hyades）。当月亮挡住太阳光时，周边出现明亮星星的几率会比其它日子时大得多。这次日全食中月亮完全遮挡太阳的“食甚”（totality）超过五分钟，也比一般日全食要长。日全食的观察带在南半球，远离欧洲的战事。
还在戴森和爱丁顿紧锣密鼓地计划时，战争也在1918年11月11日突然结束。远征队的安全有了更切实的保障。虽然和平已经到来，爱丁顿的热情丝毫不减。德国科学家在战后立即被孤立，不再有参与国际学术活动的机会。爱丁顿转而希望观测结果能弥补伤痕，促进敌对国科学家的和解。为了避免重蹈历史上多次兴师动众千里迢迢日全食观测最终因天气功败垂成的覆辙，他们兵分两路。爱丁顿带着剑桥天文台队伍前往非洲西海岸外的普林西比岛。格林威治天文台人马则在另两位年轻人率领下奔赴巴西的索布拉尔。因为战争结束百废待兴，他们没有按惯例出动海军舰船，像普通旅客一样搭乘邮轮和火车前往。
行前，戴森做了简洁报告。他指出观测结果会有三种可能。其一，星光完全不受引力影响，没有偏折。其二，星光发生约0.84角秒的偏折，显示牛顿力学正确。其三，星光偏折接近1.75角秒，证实爱因斯坦的广义相对论。爱丁顿的助手略带促狭地提问，如果结果比爱因斯坦的还大上一倍会如何？戴森答曰，那么爱丁顿肯定会发疯，你就只好自己一个人回来了。
戴森和爱丁顿仔细研究日全食地带气候趋势以及交通便利等因素后才选择那两个最佳观测地点。但在20世纪初，他们能拥有的情报有限。提前赶到目的地的两个团队都发现当地正值雨季。他们按计划建好临时观测台，然后听天由命。
1919年5月29日的普林西比岛与前几天一样乌云密布，间或还有雷阵雨。但在食甚到来的半小时前，已经只是一个“月牙”的太阳居然在云层中依稀可见。爱丁顿顾不得踌躇，按部就班地开始拍摄。他埋头更换底片，调整仪器，压根不知道天上是否真有过日全食发生。热带的高温只在入夜之后才会缓解。他们连续几个晚上冲洗底片，在太阳边缘寻觅星星的痕迹。功夫不负有心人。日全食结束前的最后几张底片里出现了几颗星。显然那时云层已经变薄，让他们不虚此行。爱丁顿又急不可耐地拿出事先准备好的对比照片和简易工具测量。不一会儿，他平静地告诉助手不必担心需要自己一个人回家。
巴西的索布拉尔那天也是多云，不过格林威治团队运气稍好。在最为关键的时刻，满天云层中突然出现一个空当，正好让被月亮遮掩的太阳一览无余。他们携带了两套不同的望远镜，也都像爱丁顿一样无暇欣赏难得的美景。
测量星光在太阳边缘的偏折需要对比同一颗星在日全食时和没有太阳时的位置。这个操作说起来很容易，其实非常复杂。日全食发生的时候只能获取前者。最理想的对比照片是在日全食的半年前或半年后，以同一仪器于同一地点在夜晚拍摄。那时同一颗星会在天空的同样方位出现。但日全食的观测地往往远离天文台，这很不现实。索布拉尔的日全食发生在临晨。他们在当地继续逗留两个多月后拍摄到傍晚的毕星团作为对照。爱丁顿只能打道回府，用在英国拍摄的同一个星团照片做对比。这些对比照片虽然有同样的星星，它们在天空的位置却与日全食时不同。星光受地球大气折射和望远镜的拍摄角度等因素都会致使星星位置在底片上发生偏差。天文学家通常可以忽略这些细微差异，但它们在1919年的日全食观测中举足轻重。只有逐个剔除这些误差之后才能看出是否有太阳引力造成的位置变化。
爱丁顿在普林西比岛的测量只是粗略的估算。两个团队都是在回到英国后才开始认真细致的数据处理和分析。柏林的爱因斯坦又一次翘首以盼。他在公开场合坚称自己的理论牢不可破，私下里却也频频向朋友打听伦敦的进展。
迟至半年之后，爱丁顿才在1919年11月6日的英国王家学会和王家天文学会联合会议上报告结果：在普林西比岛的日全食中，星星位置因为太阳引力发生1.61角秒的偏移，与爱因斯坦的（后一个）预测相当接近。
第二天，伦敦的报纸大幅报道这一科学进展，隆重宣告人类新宇宙理论的诞生。美国的《纽约时报》也以“天堂的光线全部歪斜”4的醒目标题渲染爱因斯坦理论的成功。
爱因斯坦顿时成为有史以来最为家喻户晓的物理学家和科学家，知名度堪比当红演艺明星。
英国王家天文学会会员在12月投票决定将代表学会最高荣誉的金牌奖章授予爱因斯坦，随后却被学会高层否定。爱丁顿弥合敌对国科学家关系的理想尚且任重道远。那年的学会金牌获得者空缺。几年之后，爱丁顿、戴森和爱因斯坦分别获取1924、1925和1926年的金牌。
虽然爱丁顿也曾处心积虑地将光线的弯曲程度作为牛顿和爱因斯坦两个理论的分水岭，人们很快忘记光线弯曲在牛顿力学早已有之的事实。这个终于被证实的自然现象遂成为广义相对论独一无二且不可思议的象征图像。
同样没能引起太多注意的是戴森和格林威治团队在那次会议上的汇报。他们在索布拉尔得到的结果与爱丁顿的相差甚远，两个望远镜分别得出0.86和可能高达1.98角秒的位移。前者接近牛顿和爱因斯坦的早期预测，后者则可能让爱丁顿发疯。如果按常规将三个数据做平均，所得的1.48角秒结果最多只能算作模棱两可。
但在戴森等人看来，0.86那个结果不可置信。那台望远镜向来不甚可靠，这次的照片也模糊不清。他们认为索布拉尔当时气候的突然改善反而败事有余。没有云层遮挡的太阳光直接照射在镜片上，随后又因月亮的阻挡消失。镜片温度经历大幅升降，因热胀冷缩失去聚集能力。那因此只是一次失败的观测。另一台望远镜的照片相当清晰。他们却也以数据分析中出现的误差太大为由将之遗弃。这样一来，爱丁顿的结果成为唯一可信数据，完美证实爱因斯坦的广义相对论。
尘埃落定之后，爱丁顿和戴森的这番数据分析及判定持续遭受质疑。爱丁顿后来作为广义相对论吹鼓手的角色尤其令人注目。科学家在验证一个理论时有自己的偏好乃人之常情，但像爱丁顿那样将验证爱因斯坦理论之成败直接与世界和平崇高理想挂钩可谓绝无仅有。爱丁顿的原始照片和笔记在第二次世界大战后已经被丢弃，更为他曾经人为操纵甚至假造数据的指控打开方便之门。好在后续的日全食观测和其它实验一再证明广义相对论的正确，将这桩科学史疑案转变为不重要的好奇。5
弗劳德里希可能是运气最糟糕的观测天文学家。自俄罗斯铩羽而归后，他在战争结束后的1922、1925、1926年还屡次赶往世界各地观测日全食，均遭遇恶劣天气。直到1929年，他才第一次获得日全食测量数据：星光偏移高达2.24角秒。那已经是爱丁顿的整整十年之后。爱丁顿没有为这个结果发疯，只一笑置之。
那些年间，弗劳德里希也在波茨坦创立以爱因斯坦命名的天文台，专注观测太阳光的引力红移。那是爱因斯坦当年提出验证广义相对论在水星近日点进动和光线偏折之外的第三个手段。弗劳德里希没能得到预期结果，转而怀疑广义相对论。他与爱因斯坦的关系也随之一落千丈。假如没有战争，假如克里米亚的天气合作，弗劳德里希曾有希望一鸣惊人，青史留名。但他时运不济，终被遗忘。
后代的天文学家无需重复弗劳德里希的厄运。太阳虽然光耀夺目，它在无线电频率段的辐射却乏善可陈。今天的天文学家可以视之如无物，在晴朗的大白天用射电望远镜观察遥远的脉冲星或类星体。无线电波和可见光都是电磁波，遵从同样的物理定律。当脉冲星或类星体在太阳边缘出现时，射电望远镜可以精确地报告其路径的偏折。这是一个可随时重复的测量，不必苦苦等待、追逐日全食。
当日全食在2017和2024年的美国大地出现时，她的绮丽壮观引万众瞩目。天文学家借机举行科学普及活动，但早已不再需要抓紧时机重复爱丁顿的测量。
主要参考资料：
Daniel Kennefick, No Shadow of a Doubt: The 1919 Eclipse that Confirmed Einstein's Theory of Relativity, Princeton University Press, 2019
参阅《科学随笔：伽利略与斜塔、斜面及地狱》
Lights All Askew in the Heaven
与之相反，格林威治团队在索布拉尔的照片保存至今，1978年的一次重新分析倒发现他们的结果其实也与广义相对论相符。