日全食如何豐富人類歷史上的科學知識

Total solar eclipse, 29 May 1919.

(SeaPRwire) –   1919 年 5 月 29 日下午,雲層飄過位於非洲西海岸外方的普林西比火山小島。英國劍橋天文台台長亞瑟·愛丁頓等待太陽探出頭來。早晨雷雨殘留的跡象可能會毀掉一切。

這座島嶼即將見證難得且浩大的全日食景象。6 分鐘的時間裡,月亮將完全遮住太陽的面孔,將一條地球上的狹長地帶拉扯到黑暗的幕簾下。愛丁頓前往日全食路線,嘗試證明那個年代最具影響力的觀念之一:阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論。

當時愛丁頓是少數理解該理論的物理學家之一,愛因斯坦於 1915 年提出了這個理論。但許多其他科學家被一個奇怪的觀念所阻撓:重力不是相互吸引,而是時空的扭曲。光明本身也將受到這種扭曲的影響。因此,日全食會是證明該理論是否為真的最佳途徑,因為太陽的光線被月亮阻擋後,天文學家將可以觀察太陽的重力是否會彎曲其後方遠處恆星的光芒。

1919 年 3 月,兩組天文學家搭乘從英國利物浦出發的船隻前往觀測日全食,並量測恆星。愛丁頓和他的團隊前往普林西比,而另一組由格林威治天文台的法蘭克·戴森領導的團隊則前往巴西的索布拉爾。

普林西比時間下午 2:13 出現了日全食。就在月亮滑入太陽正前方的那一刻,雲層終於開始消散了。有一瞬間,一切都清晰明瞭。愛丁頓和他的小組迅速捕捉到了當天出現在太陽附近,名為畢宿星團的恆星團圖像,此星團位於金牛座星座中。天文學家們使用了當時最好的天文技術,在玻璃上拍攝大曝光照片,取代傳統的底片。當時有 7 個底片上出現了恆星,而在其他底片上出現了太陽的「日珥」,這些是從太陽流出的氣體纖維。

愛丁頓想待在普林西比測量沒有發生日全食時畢宿星團的狀態,但由於船員罷工,他只好提早離開。後來,愛丁頓和戴森都將日全食期間拍攝的玻璃底片與在天空不同位置拍攝的畢宿星團的玻璃底片做比較,當時並未發生日全食。在愛丁頓和戴森探險隊拍攝的圖像中,恆星並沒有排列對齊。40 歲的愛因斯坦是對的。

《紐約時報》在科學論文發表後宣稱:「天上的燈光全亂了」。日全食是發現的關鍵,就像過去和現在發生過的許多日全食一樣,照亮了關於我們宇宙的新發現。

Telescope used to observe a total solar eclipse, Sobral, Brazil, 1919.

要理解為什麼愛丁頓和戴森要跋山涉水如此遙遠去觀測日全食,我們需要討論重力。

至少從艾薩克·牛頓 1687 年撰寫相關著作以來,科學家認為重力是一種簡單的相互吸引力。牛頓提出,宇宙中每一個物體都對宇宙中其他每個物體產生吸引力,而這種吸引力的強度與物體的質量和它們之間的距離有關。實際上,這大部分都是正確的,但情況比這更微妙一些。

在更大規模的情況下,例如黑洞或星系團,牛頓重力就失效了。它也不能準確說明彼此相鄰的大型物體的運動,例如水星的軌道如何受到其接近太陽的影響。

阿爾伯特·愛因斯坦最重要的突破解決了這些問題。廣義相對論認為重力實際上不是一種看不見的相互吸引力,而是一種扭曲。大質量物體(例如太陽和其他恆星)彼此之間的反應並非是某種相互拉扯,而是因為它們所處的空間已經發生了改變。它們的質量非常大,以至於它們會彎曲周圍時空結構。

這是一個奇怪的概念,許多科學家認為愛因斯坦的觀念和方程式很可笑。但其他人認為這聽起來很有道理。愛因斯坦和其他人知道,如果該理論是正確的,而現實結構會彎曲於大型物體周圍,那麼光本身也必須遵循這種彎曲。例如,很遠處恆星的光線看起來會繞過它前面的大型物體朝我們彎曲過來,例如我們的太陽。但平常無法在太陽背後研究星星來測量這種效應。因此日全食應運而生。

愛因斯坦的理論給出了太陽重力將會使背景恆星影像位移多少的方程式。而牛頓的理論僅預測了這種位移的一半。

愛丁頓和戴森之所以測量畢宿星團,是因為它包含許多星星;要扭曲的星星越多,比較結果越好。由於發現這個理論,這兩組科學家都遇到了奇怪的政治和自然障礙,物理學家丹尼爾·肯尼菲克在他的著作《不容置疑的陰影:證明了愛因斯坦相對論的 1919 年日全食》中對此進行了精彩的記載。但證實了愛因斯坦的觀念是值得的。愛丁頓在寫給他母親的信中表示:「我測量過的一塊完全正確的底片證實了愛因斯坦的理論,」他寫道,「而且我認為我從另一塊底片中得到了一些微小的驗證。」

愛丁頓-戴森實驗絕非科學家首次利用日全食來做出重大的新發現。這個構想可以追溯到人類文明的開端。

月食和日食的詳細記錄是古巴比倫最偉大的遺產之一。天文學家(或者說占星家,但目標是一樣的)能夠以驚人的準確度預測月食和日食。他們制定了我們現在稱之為沙羅週期的重複時期,即 18 年、11 天和 8 小時,屆時日食將再次出現。一個沙羅周期等於 223 個會合月,即月亮從地球上看返回相同月亮週期的時間。他們還發現了發生日食的幾何形狀,儘管可能沒有完全理解。

我們繞太陽運行的路徑稱為黃道。我們地球的軸傾斜相對於黃道面,這就是為什麼我們會有季節,以及為什麼其他天體似乎在我們的天空中穿越同一條大致路徑的原因。

月亮繞地球運行時,它也每年穿越黃道面兩次。升交點是月亮移動到黃道北側的地方。降交點是月亮進入黃道南側的地方。當月亮穿越一個交點時,就會發生日全食。古天文學家知道天空中的這些點,而在巴比倫文明的頂峰時期,他們非常擅長預測日食發生的時間。

兩千五百年後,在 2016 年,天文學家利用這些古老記錄來測量地球自轉速度減慢的速率變化,也就是說,我們的日子在數千年的過程中加長了多少。

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