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滿天星光不安於位:牛頓與愛因斯坦對決

2019/5/30 — 10:42

百年前今日(按: 29.5.2019),日全蝕(圖 1)横越南半球。在月球遮天蔽日的 6 分 51 秒,天文學家 Arthur Eddington 錄得星光受太陽扭曲移位,證實愛因斯坦的預言。廣義相對論旋即取代牛頓重力學說,成為現代科學探索和描述宇宙時空物質的基礎。

當時第一次世界大戰剛停戰數月,凡爾賽條約仍未簽定。 Eddington 身為英國人,戰後匆匆遠赴西非 Príncipe 島記錄日蝕,預期所得的證據將會將牛頓穩坐了二百多年的寳座讓給敵方科學家,他不但要克服戰後資源短缺和時間不足,更要以超越國族和意識形態的胸襟和視野說服國人,科學成果屬於全人類,沒有「德國科學」這回事。

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上月行山後,我們一行八人順道到訪劍橋三一學院。我在牛頓像(圖 2)附近找到 Arthur Eddington 的紀念牌(圖 3),默然致敬 。

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1919 年 5 月 29 日雖然已離開改寫現代物理的「奇蹟年」有 14 年之遙,廣義相對論亦已發表 4 年,愛因斯坦的名字在英語世界仍然寂寂無名,甚至未曾被紐約時報提及,除了與剛結束的第一次世界大戰有關,更是因為廣義相對論未成為科學家廣泛接受的理論。

廣義相對論要取代牛頓重力學說,除了必須有共通但更強大和廣泛的能力,更必須提出一些預測,讓新舊學說透過驗證進行對決。Eddington 這次日蝕觀察,被形容為 Einstein vs. Newton,勝負取決於日蝕時離太陽最近的 Hyades 畢宿星團的位移數值(圖 4)。

無論在廣義相對論或在牛頓重力學說,光線都會受重力影響而轉彎。在日蝕期間,太陽旁邊的星光能被拍攝及定位,與太陽遠離時的星光位置比較,就能量度星光被太陽重力扭曲移位的幅度。在 Eddington 使用的望遠鏡攝下的底片上,廣義相對論預測的位移是 1/60 mm 之微,牛頓重力預測的數值更只是前者的一半。百年前這個精度對科學家是極大的挑戰,但並非不可能。

經過數月奮戰, Eddington 在 11 月 6 日正式發表「戰果」。翌日,《泰晤士報 (The Times) 》頭條報導「科學革命/新宇宙理論/牛頓學說被推翻」(圖 5)。大西洋對岸,一位現代最偉大的科學家在《紐約時報》標題「滿天星光不安於位/愛因斯坦勝出」首次亮相(圖 6),從此家傳戶曉。

走筆至此已夜深,再寫下去,文章就過期。對科學史上這一重要環節,或當中的科學及技術有興趣,請閱以下兩篇參考文章:

  1. Matthew Stanley, “Curving the Universe”. Aeon. 23 May, 2019.
  2. Ethan Siegel, “How A Solar Eclipse First Proved Einstein Right” Forbes. July 4, 2017.

原於 2019.5.29 在作者臉書發表

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