光有“重量”嗎？它受不受引力的作用？

這個(gè)問題曾引起許多著名物理學(xué)家的好奇心，正因?yàn)閷?duì)它不懈地思索，促使愛因斯坦建立著名的廣義相對(duì)論，而對(duì)這個(gè)問題的實(shí)驗(yàn)觀察，又使廣義相對(duì)論的正確性得以驗(yàn)證。

“光的重量”問題還涉及現(xiàn)代天文學(xué)對(duì)星系及星系團(tuán)的探索問題，甚至改變了人類對(duì)物質(zhì)，乃至對(duì)整個(gè)宇宙結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

早在300多年前，牛頓曾經(jīng)設(shè)想光是由粒子組成的，他不僅用光的粒子性解釋反射和折射現(xiàn)象，還認(rèn)為像一切物體那樣，光也可能受到引力的吸引，在引力場(chǎng)中是有“重量”的。

1704年，牛頓在他的《光學(xué)》一書中寫道：“物體能隔著一段距離對(duì)光有作用嗎？這種作用會(huì)不會(huì)使光線彎曲？當(dāng)距離最小時(shí)，這種作用也最強(qiáng)嗎？”雖然牛頓沒有進(jìn)一步計(jì)算，但這一席話激起了人們對(duì)這一問題的興趣。

一百年過去了。1801年，德國(guó)天文學(xué)家約翰·索德納（John von Solder）做了詳細(xì)的計(jì)算，他得出光線在太陽引力作用下的彎曲量，可是這個(gè)量實(shí)在太小，以致在當(dāng)時(shí)找不到足夠精確的儀器，也沒有那么精良的照相設(shè)備，驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果幾乎是不可能的，因而沒有引起人們的注意。

還有另外一位對(duì)光線引力彎曲感興趣的人，這就是英國(guó)著名的天文學(xué)家阿瑟·愛丁頓。他設(shè)想光線掠過太陽時(shí)，就像一顆顆光粒子掠過太陽。在太陽引力作用下，這些粒子的軌跡會(huì)發(fā)生彎曲。他利用牛頓引力理論進(jìn)行計(jì)算，所得到的結(jié)果是，在光線經(jīng)過太陽之后，光線彎曲0.9弧秒（弧秒是角度單位，1弧秒相當(dāng)于0.01592度）。這個(gè)數(shù)值仍然太小，相當(dāng)于光線傳播5千米，只有一個(gè)拇指寬度的偏斜量。

就在這一時(shí)期，愛因斯坦創(chuàng)建了廣義相對(duì)論，得到了引力場(chǎng)方程。根據(jù)這個(gè)方程，愛因斯坦也對(duì)光線受到太陽引力產(chǎn)生的彎曲進(jìn)行了計(jì)算，得出來的結(jié)果與愛丁頓的結(jié)果相同。但這是愛因斯坦利用他最初那個(gè)不完善的引力方程算出來的。

當(dāng)愛因斯坦完善了他的引力場(chǎng)方程后，所計(jì)算出來的光線彎曲量比原來增大了一倍，也就是1.8弧秒。他建議天文學(xué)界對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。仿效牛頓，他也把這個(gè)觀測(cè)叫做“光線稱重”的實(shí)驗(yàn)。

愛因斯坦是一位具有非凡想象力的人，這個(gè)“光線稱重”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得非常巧妙，他把實(shí)驗(yàn)室搬到天空，實(shí)驗(yàn)器械就是星球，這樣能展示出引力對(duì)光線彎曲的巨大威力。

引力透鏡是強(qiáng)引力場(chǎng)中一種特殊的光學(xué)效應(yīng)。假設(shè)地球與一顆遙遠(yuǎn)的天體之間剛好有一個(gè)強(qiáng)引力場(chǎng)天體，三者差不多在一條直線上，強(qiáng)引力場(chǎng)天體附近的時(shí)空彎曲使遠(yuǎn)方天體的光不能沿直線到達(dá)地球，而使地球上觀測(cè)到的像偏離了它原本所在的方向，其效果類似于透鏡對(duì)光線的折射作用，稱為引力透鏡效應(yīng)。

愛因斯坦還建議，實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在日食發(fā)生時(shí)進(jìn)行。如果在日食發(fā)生時(shí)，在太陽背后正好有一顆明亮的星，由于被太陽遮擋，人們看不到它，但是太陽引力的作用就好像透鏡，能使那顆星發(fā)出的光線在經(jīng)過太陽時(shí)彎曲，彎曲后的光射向地球，人們將能通過太陽這個(gè)“引力透鏡”看到這顆被擋住的星。

日全食時(shí)，觀測(cè)太陽后面的目標(biāo)原理圖

1917年，正在英國(guó)劍橋的愛丁頓注意到愛因斯坦的建議，他立刻意識(shí)到這一實(shí)驗(yàn)的重要價(jià)值。愛丁頓是一位杰出的天文學(xué)家，不僅諳熟物理，對(duì)數(shù)學(xué)也很精通，當(dāng)世界上絕大多數(shù)物理學(xué)家還不能讀懂愛因斯坦的理論時(shí)，他很快能讀懂，更洞見出這一理論在物理學(xué)和天文學(xué)中的重要價(jià)值。特別是當(dāng)他得知，愛因斯坦計(jì)算出太陽引力彎曲值是他計(jì)算值的兩倍時(shí)，立刻意識(shí)到這個(gè)數(shù)據(jù)將是愛因斯坦對(duì)牛頓的挑戰(zhàn)，驗(yàn)證這個(gè)值，恰好能在兩個(gè)引力理論中，鑒別哪一個(gè)是正確的。

這一挑戰(zhàn)也引起了英國(guó)天文學(xué)家、格林威治天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)弗蘭克·戴森的極大興趣。他立刻主持組建了兩支天文測(cè)量隊(duì)，一支派往非洲西海岸的普林西比島，另一支派往巴西北部的索布拉爾。

在1919年日食發(fā)生的前一個(gè)月，兩支測(cè)量隊(duì)分別到達(dá)駐地。

1919年5月29日日食發(fā)生的當(dāng)天，測(cè)量隊(duì)架設(shè)好天文望遠(yuǎn)鏡和照相設(shè)備，一次舉世矚目的天文學(xué)壯舉就這樣開始了。

然而那一天并不順利，天公不作美。在普林西比島，云將太陽遮住，無法捕捉到太陽背后的星光。“我們架設(shè)好望遠(yuǎn)鏡和照相設(shè)備，準(zhǔn)備好最優(yōu)良的照相底片，目標(biāo)照直對(duì)準(zhǔn)一億多千米遠(yuǎn)的太陽表面。”愛丁頓回憶道：“在當(dāng)時(shí)我們什么也做不了。但我神秘地發(fā)覺，似乎沉默的大自然和昏暗的大地被觀測(cè)者的呼聲和節(jié)拍器的嘀嗒聲所喚醒，天空突然出現(xiàn)奇跡，我們終于獲得清晰的曝光。”

由于天氣不好，在普林西比島的觀測(cè)結(jié)果中，只有兩張底片可以得到測(cè)量數(shù)據(jù)。它們給出的結(jié)果是，從遙遠(yuǎn)星光發(fā)出的光線在太陽引力作用下彎曲了1.61弧秒，與愛因斯坦的結(jié)果很接近。

在巴西，測(cè)量隊(duì)的觀測(cè)天氣非常好。他們的兩架望遠(yuǎn)鏡都得到了結(jié)果。一個(gè)結(jié)果是1.98弧秒，另一個(gè)是0.9弧秒。愛丁頓選擇了那個(gè)大的結(jié)果。他解釋說，另一張底片非常模糊，不足以提供有說服力的數(shù)據(jù)。盡管這種做法存疑，英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)還是接受了愛丁頓的做法。

在當(dāng)年的9月，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果陸續(xù)傳了出來。9月22日，亨德里克·洛倫茲發(fā)電報(bào)把這一消息告訴愛因斯坦，愛因斯坦非常興奮，物理學(xué)界也因?yàn)檫@一成功受到了很大的震動(dòng)。據(jù)說德國(guó)著名的物理學(xué)家馬克思·普朗克一夜沒睡，焦急地等待觀測(cè)結(jié)果是否能證實(shí)愛因斯坦的廣義相對(duì)論。愛因斯坦后來開玩笑說：“他要是真正明白了廣義相對(duì)論，就會(huì)像我那樣上床睡覺去了”。

1919年11月6日，英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)在倫敦舉行盛大慶典，愛因斯坦的理論被證實(shí)的消息正式公之于眾。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，諾貝爾獎(jiǎng)得主J.J.湯姆森莊重地指出，這是“人類思想史上最偉大的成就之一。這一發(fā)現(xiàn)，不是找到了一個(gè)孤立的科學(xué)理論，而是發(fā)現(xiàn)了科學(xué)思想的新大陸。這是自牛頓查明引力定律以來，和引力相關(guān)的最偉大發(fā)現(xiàn)。”

在1919年以前，愛因斯坦就已經(jīng)蜚聲世界，當(dāng)太陽的引力光線彎曲被證實(shí)后，他忽然變成家喻戶曉的公眾人物。《泰晤士報(bào)》的頭版頭條以“科學(xué)的革命——宇宙的新理論/牛頓的思想遭遇挑戰(zhàn)而被廢棄”為題報(bào)道了皇家學(xué)會(huì)慶典的盛況。

報(bào)道為讀者繪圖做出了解釋

在大西洋彼岸，《紐約時(shí)報(bào)》更會(huì)造勢(shì)，它的頭版頭條新聞的標(biāo)題聳人聽聞：“天空中的光線都歪斜了！”為了更吸引讀者，這篇文章中說：“事實(shí)上，你所見到的星，并不在你所看到的那個(gè)地方。”其實(shí)這件事并不需要愛因斯坦的引力論，稍加思考就可以知道，來自幾萬、幾百萬，甚至上億光年的星光到達(dá)你的眼睛時(shí)，它們?cè)缇筒辉谀闼吹降哪莻€(gè)地方了。

德國(guó)也迅速做出了反應(yīng)，1919年12月14日，德國(guó)一份著名的報(bào)刊以幾乎整版刊登愛因斯坦的照片和文章。這篇文章的內(nèi)容得體而莊重，標(biāo)題是“世界史上的新星——阿爾伯特·愛因斯坦，他的研究變革了我們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)，這一發(fā)現(xiàn)與哥白尼、開普勒和牛頓相比肩”。

兩年以后，愛因斯坦獲得“普魯士騎士”稱號(hào)（相當(dāng)于英國(guó)的爵士），并得到一枚普魯士獎(jiǎng)?wù)拢?jiǎng)?wù)掠写髩K懷表那樣大，有藍(lán)色和金色的緄邊，裝飾著四個(gè)金色的皇冠和一個(gè)普魯士鷹，但愛因斯坦從來沒有佩戴過它。

“引力透鏡”效應(yīng)的真正價(jià)值體現(xiàn)在半個(gè)世紀(jì)以后。自20世紀(jì)70年代開始，人們利用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)自脈沖星的無線電波。無線電波不受太陽光的干擾，無須等待日食，還可以在白天黑夜持續(xù)觀測(cè)。大量的觀測(cè)結(jié)果不僅以很高的精度證實(shí)愛因斯坦的引力理論，還進(jìn)一步測(cè)量到光線經(jīng)過木星時(shí)的引力偏移。木星對(duì)光線引力偏移量是太陽的1/100，這一數(shù)值又恰好與愛因斯坦的理論結(jié)果相一致。

從20世紀(jì)末到21世紀(jì)10年代，光線引力透鏡效應(yīng)已經(jīng)是近代天文觀測(cè)不可缺少的手段，以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、斯皮策紅外線空間望遠(yuǎn)鏡及錢德拉X射線觀測(cè)臺(tái)為首，一個(gè)大型天文觀測(cè)目標(biāo)正向宇宙深度進(jìn)發(fā)。

天文學(xué)家利用發(fā)自遙遠(yuǎn)星系背后各種波段射線的引力偏移，可以推斷遙遠(yuǎn)星系的質(zhì)量，探索遙遠(yuǎn)星系周圍龐大的暗物質(zhì)云，甚至發(fā)現(xiàn)更年輕星系的生成過程，由此推知宇宙星系形成初期的情景。

在大尺度物質(zhì)世界中，光的“重量”是一個(gè)不能忽視的現(xiàn)象，也是左右宇宙結(jié)構(gòu)的動(dòng)因之一。根據(jù)愛因斯坦的引力論，只要有物質(zhì)存在，無論時(shí)間還是空間都要受到影響，光線在引力場(chǎng)中的彎曲現(xiàn)象就是這一影響的表現(xiàn)之一。







審核編輯：劉清