日全食為什么能驗(yàn)證廣義相對(duì)論呢？如下圖所示，當(dāng)日全食時(shí)，處于太陽背后恒星發(fā)來的光線，受到太陽引力的作用，而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此在照相底片上，恒星的位置將會(huì)發(fā)生變化，其變化的大小可以由不同的理論加以計(jì)算。將日全食發(fā)生時(shí)所獲得的照片，與沒有發(fā)生日全食時(shí)，相同位置上的照片相比較，則可測(cè)定出太陽引力使遙遠(yuǎn)恒星發(fā)來的光線所引起的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度，由此對(duì)不同理論的計(jì)算結(jié)果做出觀測(cè)的裁決。

也許愛因斯坦真是上帝的寵兒，就在1919年，距其廣義相對(duì)論正式發(fā)表僅3年時(shí)間，于5月29日在非洲發(fā)生了一次日全食。早在1917年末，科學(xué)家就注意到1919年5月29日將發(fā)生的這次日全食對(duì)檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對(duì)論特別有利，這是因?yàn)樵诎l(fā)生掩食時(shí)，太陽周圍的星場(chǎng)中有特別多的亮星。日全食路線是從巴西北部越過大西洋，經(jīng)普林西比島后橫貫非洲。所以，在當(dāng)時(shí)大概確實(shí)屬于全世界了解廣義相對(duì)論的另一個(gè)天文學(xué)家愛丁頓組織了去巴西北部的索布拉爾以及普林西比島的兩個(gè)觀測(cè)隊(duì)。

光線的引力彎曲

在索布拉爾的觀測(cè)組，是由A.C.D. 克羅姆林博士和C. 戴維森先生他們攜帶了一架焦距為3.34米并配有20厘米光欄的格林尼治天體照相儀，將它裝在一個(gè)鋼管內(nèi)，并備有40厘米定天鏡。另有一個(gè)10厘米的輔助透鏡放在5.8米長(zhǎng)的木制方管中，用20厘米定天鏡與之相配。

在發(fā)生日全食的當(dāng)天上午，當(dāng)?shù)卦屏枯^多，初虧時(shí)刻，云掩部分估計(jì)占9/10，此時(shí)太陽根本看不見。幸好幾秒鐘后出現(xiàn)了太陽初虧。偏食期間，又出現(xiàn)過幾次日照瞬間，使觀測(cè)人員得以把太陽的像置于場(chǎng)鏡的特定位置并最后調(diào)整了一下轉(zhuǎn)儀鐘速率。在愛丁頓等人的觀測(cè)報(bào)告中寫道：“當(dāng)臨近全食時(shí)，云量減少。在食既前1分鐘左右，一塊較大的晴空到達(dá)太陽。根據(jù)觀測(cè)場(chǎng)鏡中漸漸消失的月牙狀太陽的長(zhǎng)度，發(fā)出食既前58秒、22秒、12秒的警報(bào)，當(dāng)月牙狀太陽完全消失，叫了一聲 ‘到’。利奧卡道博士立刻啟動(dòng)拍節(jié)器，他在全食期間每10拍拍叫一聲，曝光利用這些拍次記錄。在310秒時(shí)間內(nèi)拍擊320次，根據(jù)這種速率算出記錄時(shí)間。觀測(cè)計(jì)劃順利完成?！闭媸菓騽“愕娜杖秤^測(cè)，云層也好像當(dāng)了魔術(shù)師，恰好在需要的時(shí)候，就讓太陽完全出來了！

用同樣的儀器于7月11日在同一地點(diǎn)拍得參考底片，與10厘米鏡拍得的日食結(jié)果比較算出在太陽邊緣發(fā)生了1″.98角的彎曲。而用天體照相物鏡拍攝的底片，由于太陽加熱引起焦距變化而發(fā)生星像彌散。結(jié)果不如10厘米鏡。在太陽邊緣，其得到的平均角彎曲為0″.93。

普林西比的觀測(cè)組是由A.S. 愛丁頓教授親自帶領(lǐng)還有E.T. 科廷姆先生參加使用的儀器是牛津的裝有20厘米光欄的天體照相儀，用40厘米定天鏡照射。也是在雷雨交加的條件下，得到了兩張可用的底片。由于氣候條件沒有可能在當(dāng)?shù)嘏臄z比較星場(chǎng)的底片，因此用了四張?jiān)谂＝蚺牡玫谋容^底片。用它們對(duì)比日全食得到的兩張底片得到了四個(gè)結(jié)果：1″.94，1″.44，1″.55，1″.67。平均角彎曲值為1″.65，可能誤差為0″.30。與愛因斯坦的預(yù)言值1″.75相當(dāng)一致。

綜合兩個(gè)觀測(cè)組，并考慮到索布拉爾10厘米鏡的結(jié)果的優(yōu)越性，故給予了最大的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，最后得到的角彎曲平均結(jié)果為1″.98。

1919年9月22日，愛丁頓還在對(duì)日全食觀測(cè)數(shù)據(jù)作最后的計(jì)算和核對(duì)，洛侖茲給愛因斯坦發(fā)了一份電報(bào)：“頃悉愛丁頓發(fā)現(xiàn)星光于日緣處有偏轉(zhuǎn)……”其時(shí)愛因斯坦當(dāng)然也很高興，但他還不像愛丁頓那樣激動(dòng)，因?yàn)檫@個(gè)觀測(cè)結(jié)果完全是他意料中的事。他從來也沒有想過：要是日全食觀測(cè)結(jié)果與廣義相對(duì)論不一致，怎么辦？他非常自信，這樣優(yōu)美、和諧的理論，是不可能有錯(cuò)誤的。

1919年11月6日下午，英國皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)在倫敦舉行聯(lián)席會(huì)議，聽取兩個(gè)日食觀測(cè)隊(duì)的正式報(bào)告。會(huì)議廳里濟(jì)濟(jì)一堂，英國科學(xué)界的泰斗們都在這里。這些教授一個(gè)個(gè)都?jí)旱土松らT說話，仿佛空氣中都感染到一種焦急的期待心情。觀測(cè)的結(jié)果，雖然早就從各條小道泄露出去，幾乎到會(huì)的人人都知道。但大家認(rèn)為這件事情畢竟太重大了，所以正式宣布的時(shí)刻，就具有特殊的歷史意義。全場(chǎng)就像一幕古希臘的戲劇那樣莊重。

皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆遜教授在全場(chǎng)肅穆的氣氛中起立致詞。他說：“愛因斯坦的相對(duì)論是人類思想史上最偉大的成就之一?！@不是發(fā)現(xiàn)一個(gè)孤島。這是發(fā)現(xiàn)了新的科學(xué)思想的新大陸。”

11月7日，愛因斯坦一早醒來，發(fā)覺一切都變了。他一夜之間竟成了世界名人。一大早，就有記者來敲門。愛因斯坦請(qǐng)記者坐下，但他一時(shí)摸不著頭腦，不知是什么風(fēng)把這位 “公眾的向?qū)А贝祦淼?。原來?《泰晤士報(bào)》發(fā)表了一篇題為 《宇宙的結(jié)構(gòu)》的社論，里面有這樣的話：“關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的科學(xué)觀念必須改變……最杰出的專家們確信，世世代代以來認(rèn)為無可置疑的事實(shí)，已被有力的證據(jù)推翻，需要一種新的宇宙哲學(xué)……”

每天成百上千的郵件像雪片般飛來，那是一些討要照片，索取親筆簽名的信。許多信封上連地址也沒有，只有“阿爾貝特·愛因斯坦”幾個(gè)大字，郵局也竟把它送到了愛因斯坦手中。我們知道，愛因斯坦是非常推崇卓別林的電影的。一次，他給卓別林的一封信中寫道：“你的電影 《摩登時(shí)代》，世界上的每一個(gè)人都能看懂。你一定會(huì)成為一個(gè)偉人。愛因斯坦?！倍縿e林在回信中寫道：“我更加欽佩你。你的相對(duì)論世界上沒有人能弄懂，但是你已經(jīng)成為一個(gè)偉人。卓別林。”這一簡(jiǎn)短的話語或者反映了當(dāng)時(shí)人們對(duì)愛因斯坦崇拜的狂熱程度。

以上這些情況，僅是把愛因斯坦推向科學(xué)神壇的序幕。

上面，我們花了較大的篇幅來敘述愛丁頓的日食觀測(cè)工作，目的是想向讀者說明，做科學(xué)研究的嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍的態(tài)度，這就從形式上征服了讀者、評(píng)判者或?qū)徴?。?dāng)然，更重要的是給出觀察結(jié)果的可靠性和置信范圍。

實(shí)際上，諸如相對(duì)論、物理學(xué)、天體物理之類的學(xué)問，在西方通常被稱為 “精密科學(xué)”——指它們可以有精密的實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)，并可以用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行高度精確的描述。但是，即使是這樣的學(xué)問，仍然有很大的不確定性。而這種不確定性是我們傳統(tǒng)的 “科普”甚至 “專業(yè)”著作中視而不見或盡力回避的。具體到在日食時(shí)觀測(cè)太陽引力場(chǎng)導(dǎo)致的遠(yuǎn)處恒星光線彎曲 （偏折）這件事，事實(shí)上其中的不確定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出公眾通常的想象。

之所以要在日食時(shí)來驗(yàn)證太陽引力場(chǎng)導(dǎo)致的遠(yuǎn)處恒星光線彎曲，是因?yàn)槠綍r(shí)在地球上不可能看到太陽周圍 （指視方向而言）的恒星，日全食時(shí)太陽被月球擋住，這時(shí)才能看到太陽周圍的恒星。在1919年的時(shí)候，要驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論關(guān)于光線彎曲的預(yù)言，辦法只有在日食時(shí)進(jìn)行太陽周圍天區(qū)的光學(xué)照相。但麻煩的是，在照片上當(dāng)然不可能直接看到恒星光線彎曲的效應(yīng)，所以必須仔細(xì)比對(duì)不同時(shí)間對(duì)相同天區(qū)拍攝的照片，才能間接推算出恒星光線彎曲的數(shù)值。

比較合理的辦法是，在日食發(fā)生時(shí)對(duì)太陽附近天區(qū)照相，再和日食之前半年 （或之后半年）對(duì)同一天區(qū)進(jìn)行的照相 （這時(shí)遠(yuǎn)處恒星光線到達(dá)地球的路上沒有經(jīng)過太陽的引力場(chǎng)）進(jìn)行比對(duì)。通過對(duì)相隔半年的兩組照片的比對(duì)和測(cè)算，確定恒星光線偏折的數(shù)值。這些比對(duì)和測(cè)算過程中都要用到人的肉眼，這就會(huì)有不確定性。

更大的不確定性，是因?yàn)榧词乖谌杖硶r(shí)，緊貼太陽邊緣處也是不可能看到恒星的，所以太陽邊緣處的恒星光線偏折數(shù)值只能根據(jù)歸算出來的曲線外推而得，這就使得離太陽最近的一兩顆恒星往往會(huì)嚴(yán)重影響最后測(cè)算出來的數(shù)值。

那么愛丁頓1919年觀測(cè)歸來宣布的結(jié)論是否可靠呢？事后人們發(fā)現(xiàn)，是不可靠的。在這樣一套復(fù)雜而且充滿不確定性的照相、比對(duì)、測(cè)算過程中，使最后結(jié)果產(chǎn)生誤差的因素很多，其中非常重要的一個(gè)因素是溫度對(duì)照相底片的影響。愛丁頓他們?cè)趫?bào)告中也提到了溫度變化對(duì)儀器精度的影響，他們認(rèn)為小于10華氏度的溫差是可以忽略的，但在兩個(gè)日食觀測(cè)點(diǎn)之一的索布拉爾，晝夜溫差達(dá)到22華氏度。在索布拉爾一共拍攝了26張比較底片，其中19張由一架天體照相儀拍攝，質(zhì)量較差；7張由另一架望遠(yuǎn)鏡拍攝，質(zhì)量較好。然而按照后7張底片歸算出來的光線偏折數(shù)值，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于愛因斯坦預(yù)言的值。最后公布的是26張底片的平均值。研究人員后來驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，如果去掉其中成像不好的一兩顆恒星，最后結(jié)果就會(huì)大大改變。

愛丁頓當(dāng)年公布這樣的結(jié)論，在如今某些 “學(xué)術(shù)打假恐怖主義”人士看來，完全可以被指控為 “學(xué)術(shù)造假”。當(dāng)然，事實(shí)上從來也沒有人對(duì)愛丁頓作過這樣的指控。從前面我們引用的愛丁頓發(fā)表的文章似乎很嚴(yán)密認(rèn)真，很嚇唬外行，而掩蓋了他使用的手段和觀測(cè)要求精度是否匹配。雖然科學(xué)后來的發(fā)展最終還是驗(yàn)證了他的 “驗(yàn)證”。從科學(xué)發(fā)展史來看，在1919年愛丁頓轟動(dòng)世界的“驗(yàn)證”之后，1922年、1929年、1936年、1947年、1952年各次日食時(shí)，天文學(xué)家都組織了檢驗(yàn)恒星光線彎曲的觀測(cè)，各國天文學(xué)家公布的結(jié)果言人人殊，有的與愛因斯坦預(yù)言的數(shù)值相當(dāng)符合，有的則嚴(yán)重不符。這類觀測(cè)中最精密、最成功的一次是1973年6月30日的日全食，美國人在毛里塔尼亞的欣蓋提沙漠綠洲做了長(zhǎng)期的準(zhǔn)備工作，用精心設(shè)計(jì)的計(jì)算程序?qū)λ械挠^測(cè)進(jìn)行分析之后，得到太陽邊緣處恒星光線偏折值為1.66″±0.18″。為了突破光學(xué)照相觀測(cè)的極限，1974～1975年間，福馬倫特和什拉梅克利用甚長(zhǎng)基線干涉儀觀測(cè)了太陽引力場(chǎng)對(duì)三個(gè)射電源輻射的偏折，終于以誤差小于1％的精度證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)言。也就是說，直到1975年，愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言才真正得到了驗(yàn)證。但后來的這一系列科學(xué)工作通常是得不到公眾和媒體的關(guān)注的，甚至一般的專業(yè)工作者通常也不太關(guān)心。

那么，愛丁頓當(dāng)年為什么不老老實(shí)實(shí)宣布他們得到的觀測(cè)結(jié)果未能驗(yàn)證愛因斯坦的預(yù)言呢？我們倒也不必對(duì)愛丁頓作誅心之論，比如說他學(xué)風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn)、動(dòng)機(jī)不純潔等等。事實(shí)上，只需認(rèn)識(shí)到科學(xué)知識(shí)中不可避免地會(huì)有社會(huì) （人為）建構(gòu)的成分，就很容易理解愛丁頓當(dāng)年為什么要那樣宣布了。

科學(xué)中的不確定性其實(shí)普遍存在，而不確定性的存在就決定了科學(xué)知識(shí)中必然有人為建構(gòu)的成分，這是一個(gè)方面。另一方面，則是社會(huì)因素的影響。愛丁頓當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)聲譽(yù)、他的自負(fù) （相傳他當(dāng)時(shí)自命為除了愛因斯坦之外唯一懂得相對(duì)論的人）、科學(xué)共同體和公眾以及大眾傳媒對(duì)他1919年日食觀測(cè)的殷切期盼等等，這一切都在將他 “趕鴨子上架”，他當(dāng)時(shí)很可能被頂在杠頭上下不來了。所以，是1919年的科學(xué)界、公眾、媒體，和愛丁頓共同建構(gòu)了那個(gè)后來進(jìn)入教科書的神話。

回到我們討論的超光速問題，我們這里僅先指出，廣義相對(duì)論本身是包容超光速運(yùn)動(dòng)的。也就是說，在廣義相對(duì)論的各種數(shù)學(xué)表述中，如果代入大于真空中光速c的速度，其所有描述的方程式是有實(shí)數(shù)解的，因而，原則上是可與物理或天文觀測(cè)對(duì)照的。但由于愛因斯坦的成就，他把狹義相對(duì)論中的：“超光速的速度……沒有存在的可能?！钡腻e(cuò)誤結(jié)論推延到廣義相對(duì)論中來了。從此超光速運(yùn)動(dòng)不可能存在成了相對(duì)論的戒律，并被寫入 《愛因斯坦的圣經(jīng)》中。因此，自相對(duì)論創(chuàng)立以來，盡管理論上處處表現(xiàn)出存在超光速狀態(tài)，但它們都被視為 “鬼態(tài)”，實(shí)驗(yàn)上也大量的觀測(cè)到各種超光速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但它們最后都?xì)w結(jié)為實(shí)驗(yàn)誤差或一類“視現(xiàn)象”，直到被否定而維護(hù)神圣的 “愛因斯坦的圣經(jīng)”不被動(dòng)搖為止。