1919年5月29日拍攝的日全食（圖檔來源：F.W. DYSON， A.S. EDDINGTON， C. DAVIDSON）
今天，一場罕見的"黃金圈日食"将出現在我國部分地區，你準備好看了嗎？對于實體學家來說，日食也是一個偉大的"自然實驗室"，可以幫助他們驗證一些重要的理論。1919年5月29日，由英國科學家愛丁頓上司的日全食實驗支援了愛因斯坦的廣義相對論。
現在看來，愛丁頓為愛因斯坦挺身而出，使廣義相對論成為"一場名聲的世界大戰"，但也使愛因斯坦獲得了世界範圍的影響力。然而，有輿論認為，該實驗旨在緩解第一次世界大戰後英國和德國之間的關系，但實驗的準确性不足以證明廣義相對論的合理性。這合理嗎？實驗是如何進行的？
"隻有三個人了解廣義相對論。
它也始于愛因斯坦撰寫愛因斯坦廣義相對論的引力場方程。
1915年，愛因斯坦寫了廣義相對論的引力場方程，它使用了當時深層次的數學，黎曼幾何。在這個過程中，愛因斯坦在數學家格羅斯曼和希爾伯特的幫助下，基本上弄清楚了其中所有的數學問題——剩下的未解決的問題是需要實體實驗來驗證理論的有效性。
愛因斯坦開始推廣他的廣義相對論。愛因斯坦在德國科學界獲得了一定的知名度（因為愛因斯坦的學術地位在1905年後飙升，當時他成為大學教授的專利局職員，這要歸功于德國科學牧首普朗克的大力推薦），但愛因斯坦在英國，美國和其他地方沒有學術影響力。
從1914年到1918年，這是一場世界大戰，整個歐洲都遭到嚴重破壞。愛因斯坦的廣義相對論不僅在數學上太難了，而且世界觀看起來很奇怪，我們還沒有努力去了解它。1916年，愛因斯坦将他的德語版《廣義相對論基礎》交給了他的朋友，荷蘭萊頓大學的Destit教授。由于荷蘭在戰争期間是一個中立國，而德西特教授是皇家天文學會的秘書，德西特轉而将他的論文寄給劍橋大學的愛丁頓教授。
亞瑟·愛丁頓
愛丁頓教授當時是皇家天文台的主任。雖然他還不認識愛因斯坦，但他一眼就看出，這篇論文，如果說得對的話，具有劃時代的意義。但是，當英國的反德情緒如此之高以至于無法發表德國報告時，愛丁頓要求德西斯寫一系列關于愛因斯坦理論的文章，這些文章發表在《皇家天文學會會刊》上。
愛丁頓讀了愛因斯坦論文的英文版，終于明白了愛因斯坦的思想。
有一天，記者去采訪他，問道："聽說世界上隻有三個人懂得愛因斯坦廣義相對論。
愛丁頓問道："除了我，還有誰？""
愛丁頓确實讀過愛因斯坦的論文。事實上，在1916年，德國一位名叫施瓦西的天文學家也了解了愛因斯坦的廣義相對論，并解決了愛因斯坦引力場方程的靜态球對稱性，可以準确地描述太陽附近的引力場。
光會以一條直線傳播，但在空間中，當它彎曲時，它會被偏轉 - 類似于水面附近的光的折射，遙遠的恒星在經過時會被太陽的引力彎曲，這可以通過實驗進行測試。
計算光偏轉
愛因斯坦其實以為引力場會讓光彎曲，他從1911年開始做了很多計算，然後不斷改進，最後在1916年廣義相對論形成的時候，得到了引力場對光的完整理論。
簡單地說，愛因斯坦的廣義相對論把時間和空間放在一起，形成一個彎曲的四維時空，引力相當于時空的曲率。光是這個彎曲時空中的一種光測地線。
是以，這背後的數學原理非常清楚，主要是黎曼幾何中的測地線方程。
當時，對于時空的一般彎曲，這個測地線方程很難解決。但是，如果是在斯瓦西的時空，很容易找到光的偏轉角度。接近太陽的光的偏轉角可以用廣義相對論計算：
在這裡，G是牛頓的引力常數，M是恒星（太陽）的品質，C是光速，R是恒星的半徑。
對于太陽，我們可以把值放進去，結果是6.42×10-6。這是一個非常小的數字，這也表明太陽對附近光線的偏轉角度非常小。
偏轉角度是一個失重的輪廓，它實際上代表了弧度。我們知道周長的弧度是2度，是以太陽以大約百萬分之一的周長偏轉光線。那麼，當時能測量出這麼少量的資料嗎？
抓住機遇
1919年，愛丁頓抓住了日全食的機會，導緻天文學家聲稱他們已經準确地測量了光在太陽附近通過的角度，進而證明了廣義相對論是正确的，愛因斯坦已經被送到祭壇上。當時的媒體報道是"英國科學家幫助德國科學家驗證廣義相對論是正确的"，突顯了戰後兩國關系的恢複。
那麼為什麼要觀測日全食呢？因為月亮擋住了太陽，地球上的人可以看到太陽後面的亮星，并拍攝太陽存在時星星在天空中的位置。然後呢？當地球移動到另一個地方時（一般時差約為半年），太陽遠離星區（在夜間出現）并捕獲恒星在沒有太陽的情況下在天空中的位置（即，當沒有光偏轉時）。通過比較兩種情況下恒星的位置，可以獲得光偏轉值。
當然，天文學家預測，1919年5月29日将發生日全食。是以，愛丁頓組織了兩個觀察隊前往兩個觀察地點。愛丁頓帶領團隊前往非洲的普林西比，另一個由他的助手戴森帶領的團隊前往巴西觀察。兩個團隊各自在格林威治皇家天文台攜帶了一台33厘米的天體相機（實際上是一台稍大的相機），以及一台額外的10厘米光學望遠鏡。
愛丁頓觀察家團隊于 1919 年 4 月下旬抵達普林西比，花了十幾天時間準備迎接悶熱的暴雨和蚊蟲叮咬。在日食的早晨，普林西比下着雨，刮着大風，但到了日食的時候，風和雨，天氣越來越好。愛丁頓天文台拍了幾張照片，但隻有兩張顯示了恒星的圖像。那邊的巴西觀測隊陽光明媚，大家都很開心，也拍了很多照片。
但最終沖破了電影失望，因為太陽太強，負片盒太熱，膠片已經變了。他們必須做一些處理。最後，愛丁頓組測量的偏轉角為1.61弧秒，巴西組測量的偏轉角為1.98弧秒，兩個結果的偏轉角為10-6個數量級。廣義相對論的預測值是1.74弧秒。觀測接近廣義相對論的預言，是以愛丁頓宣布觀測支援廣義相對論的預言。
實驗可靠嗎？
是以，最關鍵的問題來了，愛丁頓的實驗真的很好嗎？
測量偏轉角的能力取決于望遠鏡的角度分辨率。我們可以看看哈勃望遠鏡的角度分辨率。哈勃望遠鏡的直徑為2.4米，對于接近480納米的可見光，角分辨率可以在非常高的水準上實作 - 隻需将兩個值相除，就可以得到最小的角度分辨率：
這表明，如果哈勃被用來區分太陽與星光的偏差，那麼就有可能分辨出來。
當時，愛丁頓和其他人使用的是33厘米口徑的相機。
在光學上，格林威治皇家天文台的33厘米相機比哈勃望遠鏡的2.4米望遠鏡差一個數量級，是以格林威治的33厘米相機（660納米）在可見光波長處的角度分辨率為：
這個角度分辨率與愛因斯坦計算的光偏轉的數量級相同。是以，使用這台相機，如果不考慮實驗誤差，理論上可以測量太陽對光的偏向。
在他們當時發表的論文中，愛丁頓可以看到他們畫的圖表是這樣的 - 疊加兩張照片來比較恒星的位置：
通過上述理論分析，似乎愛丁頓對愛因斯坦廣義相對論的支援實驗還是比較可靠的。此後，廣義相對論得到了越來越多的實驗的驗證，例如LIGO在2015年發現的引力波，這也表明廣義相對論是正确的。
愛丁頓的年度論文題為"根據1919年5月29日日全食的觀測确定太陽引力場對光的偏轉"。如果有人想質疑實驗的準确性，請看這篇46頁的論文。畢竟，愛丁頓實驗确實非常準确，值得好好看看。
撰稿：張華