Frontiers for Young Minds期刊网站上线的一篇最新文章，题为The Solar Eclipse That Validated Einsteins Theory of Relativity验证了广义相对论的日食观测。文章介绍了科学史上最主要的里程碑之一，它增进了现代人类对宇宙的理解。
阿尔伯特·爱因斯坦在1915年完成了他的广义相对论。这一理论改变了我们对艾萨克·牛顿所创立的空间、时间和引力概念的认识。广义相对论预测出，由于太阳的引力以及空间和时间的性质，从遥远的太阳射向我们的光线在经过太阳附近时会发生弯曲。对这一现象进行的天文观测证实了这个预言。这个结果发表后，在科学界和公众中引起了极大的轰动，爱因斯坦在一夜之间成为了超级巨星。
本文作者Hanoch Gutfreund，还对一份独一无二的爱因斯坦手稿的主要性给出了令人振奋的见解。这份手稿于2021年11月被拍卖，其中展示了爱因斯坦和他的终身好友米歇尔·贝索是怎么一起研究爱因斯坦于1913年发表的一个初步理论的结果的。他们的工作成果帮助爱因斯坦在2年后完成了他的广义相对论。
作者｜Hanoch Gutfreund
翻译｜赵金瑜
审校｜D
一个戏剧性的公告1919年11月7日，英国《伦敦时报》发表了一篇震惊全世界的新闻文章，标题为“科学的革命——新的宇宙理论——牛顿的观点被驳倒”。这篇文章报道了同年早些时候两支探险队进行的天文观测结果，一支位于非洲西海岸附近的普林西比岛，另一支位于巴西的索布拉尔市。这两个地方，可以在同一天观察到同一场日全食。这些观测意在检验爱因斯坦广义相对论的预测之一。爱因斯坦声称，来自遥远太阳的光线会在它们经过太阳前往地球的途中弯曲。
对弯曲光线的观察是怎么支持爱因斯坦的理论，并改变人们对空间、时间和引力的认识呢？让我们先来介绍一些背景。
狭义相对论1905年是犹太裔德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦科学生涯中最富有成效的一年。在这一年，他提出了狭义相对论。这个理论基于两个假设：
首先，该理论仅适用于以相对恒定速度运动的系统。举一个简单的例子：一个人坐在一节火车车厢里。车窗被遮住了，车厢内也听不到车轮在轨道上的行驶声音。如果火车匀速行驶，则车上的人无法通过任何实验来确定火车的速度，或者判断它相对站台是在移动还是静止。
第二个假设则是，光的传播过程与其他物体的运动行为是不同的。光速始终是恒定的——它不依赖于光源的速度或观察者的速度。例如，当我开车在路上行驶，被问到我旁边的车有多快时，答案取决于我的车速。如果邻车车速与我的车速相同，那么它相对于我的车似乎是静止的。但是，如果我开得慢一点，另一辆车看起来就会比我快，并逐渐跑在我的前面。爱因斯坦的深刻见解是，光的行为与此不同——光的速度与观测者的运动状态以及发光光源的速度无关。
这听起来是不是很奥秘？还有更奥秘的！根据这两个假设，如果两个处于相对运动中的人测量同一个物体的长度，他们会得到不同的结果！此外，如果他们测量两个事件发生的时间间隔，他们在测量结果上也不会达成一致；他们甚至可能在哪个事件更先发生上产生分歧。距离、时间和事件的同时性的测量是相对的，这意味着测量结果取决于观测者的运动状态。爱因斯坦狭义相对论中的距离和时间概念，与英国数学家、物理学家艾萨克·牛顿提出的世界观大相径庭。根据牛顿的理论，空间和时间是独立且绝对的——时间和空间距离的测量结果与观测者的运动状态无关。
狭义相对论的著名结论之一是，质量和能量是相互等价的——最著名的科学公式=便代表了这个结论。其中，代表能量，代表质量，而是光速。根据这个公式，少量的质量可以转化为大量的能量。在提供核能的反应堆中，这个过程以一种可控的方式发生。在原子弹中，它则以不受控的方式发生、造成灾难性的爆炸。在太阳的核心，四个氢原子核在一个复杂的过程中融合在一起，成为氦原子核。一个氦核的质量比四个氢核的质量略小一些。融合过程中所损失的质量转化成能量，便成为了太阳的能量来源，进而也是地球上生命的来源。
广义相对论狭义相对论有两个主要的局限性：第一，该理论只涉及匀速运动的系统；它没有考虑加速运动——即速度有所加减的运动，或者像旋转木马一样改变方向的运动。第二，狭义相对论没有考虑万有引力，也就是使月球在围绕地球的固定轨道上、使行星在围绕太阳的轨道上平稳运行的向心力。
在完成了狭义相对论之后，爱因斯坦开始寻找一种能够摆脱这两个限制的理论。经过10年的探索，他最终提出了广义相对论。这一理论的主要思想是，引力——即两个物体之间的吸引力——并不如牛顿理论中所述的力，而是空间自身的特征，或者更准确地说，是空间和时间的特征。在爱因斯坦的新理论中，空间和时间被合并为“时空”。在牛顿的理论中，空间和时间是所有物理过程发生的“舞台”。而在爱因斯坦的理论中，空间和时间会参与这些物理过程，并受其影响。根据爱因斯坦的观点，宇宙中具有较大质量的物体，如行星和太阳，会使它们周围的时空发生弯曲。这意味着，在宇宙中运动的物体和光线是在弯曲的时空中运动的。这个概念很难用容易理解的方式来解释。即使是专门研究这种现象的物理学家，也可能难以想象出弯曲的时空。这些概念最好用数学语言来描述，使用数学家早在19世纪就开发出的方法。利用这些方法，爱因斯坦在1915年发现了描述质量对时空结构影响的方程，以及由此影响而产生的运动方程。这些方程是爱因斯坦最伟大的成就，是我们彻底了解宇宙——它是怎么开始的、怎么发展的、以及它的结构是什么——的基础。
对一次日食的观测验证了爱因斯坦的理论当爱因斯坦刚开始发展他的广义相对论时，就已经知道，光束在太阳附近会被弯曲。甚至在他得出最终的理论之前，爱因斯坦就曾计算了这些光束的弯曲程度，但他得到的结果比正确的数值小一倍尽管当时他并不知道。1913年，爱因斯坦致信天文学家乔治·黑尔，后者是全美最大的天文台威尔逊山天文台的主任。爱因斯坦询问黑尔是否有办法在白天观察太阳附近的星星。黑尔回答说，观察这些星星的唯一机会是在日全食期间。
你可能不明白为何验证爱因斯坦的理论需要一场日食。我们首先要意识到，要想看到太阳引力对来自遥远太阳的光线的影响，太阳必须位于我们和要观测的太阳之间——也就是说，观测只能在白天进行。但是通常情况下，在白天是不可能看到星星的，因为太阳太亮了！但是，在日食期间，天空一片漆黑，那些星星就可以被看到了。之所以会发生日食，是因为月球绕地球运行的轨道平面相对于地球绕太阳运行的轨道平面是倾斜的译者注：倾斜4.99-5.30°。有时，地球、月球和太阳相交的路径会形成一条直线。在这种情况下，月球会遮住太阳，导致日食。不过月球太小，无法在整个地球上投下阴影，因此地球上有些地区会发生日全食，而在其他地区则只有日偏食。
爱因斯坦推断，如果天文学家比较日食期间太阳在地球和太阳之间拍摄的太阳照片与夜间太阳不在地球和太阳之间拍摄的相同太阳的照片，太阳出现的位置应该看上去有所偏移。如果两张照片中太阳的位置不同，就意味着太阳的引力场使得从这些太阳发出的光线发生了弯曲图1。
图1：当来自遥远的太阳的光线经过太阳的引力场时，光线会发生弯曲。地球上的观察者则会看到，当太阳在太阳光线的路径上时，与太阳不在光线的路径上相比，太阳的位置会发生偏移。
1914年8月21日，一支德国天文探险队计划在俄罗斯克里米亚地区的日全食期间进行观测。但随后首次世界大战爆发，探险队被俘，装备也惨遭没收。
在1919年5月29日，研究人员终于获得了另一次机会图2。那时，爱因斯坦已经完成了广义相对论的创建，并据此预测出，最终的光线弯曲程度比他之前假设的结果大一倍。如前所述，这些观测数据来自于索布拉尔和普林西比两个地方。在利用当时仅有的资源对观测结果进行了几个月的分析这不是一项简单的任务之后，探险队的负责人阿瑟·爱丁顿和查尔斯·戴维森，以及皇家天文学家弗兰克·戴森爵士宣布：“索布拉尔和普林西比的观测结果几乎毫无疑问地表明，太阳的确能够弯曲周围的光线，而且其曲率与爱因斯坦的相对论所给出的结果一致”。广义相对论的这项预测，被两个相距甚远的地点的独立测量所证实，极大程度地说服了科学界相信这个理论的正确性。
图2：1919年的日食和它周围的星星。将这张照片中看到的星星的位置与太阳在天空中不同位置时拍摄的照片进行对照。通过这种手段，研究人员发现，星星的位置似乎发生了变化。这种现象的原因是太阳引力使太阳的光线发生了弯曲，如图1所示。
爱因斯坦的理论带来的影响1919年的日食观测意义非凡。它不仅证实了爱因斯坦的广义相对论，而且还帮助科学家了解到一种很有价值的天文现象，即引力透镜效应，它可以帮助科学家们研究宇宙。光在经过太阳附近时，其弯曲程度非常小。但质量大得多的物体，如黑洞甚至整个星系，会造成更强烈的弯曲，以至于我们可以利用望远镜看到这些大质量天体背后的光源。爱因斯坦早在1912年就注意到了引力透镜的可能性，但他直到24年后才发表了他的想法和相关计算。
这篇报道英国探险队成功消息的文章，在科学界激起了巨大的兴奋。它也引发了公众的热情，这种情绪也因时代特殊而被放大了：首次世界大战夺去了数百万受害者的生命、并造成了严重的破坏，而这篇文章恰恰发表于战争刚刚落幕的几年后。这篇文章提醒人们关注人类大脑的智慧，并展示了科学领域是可以进行国际合作的。这唤起了新的希望。公众对爱因斯坦的兴趣和钦佩之情高涨，他在一夜之间成为了超级巨星。直到生命的最终一刻，爱因斯坦一直坐拥这样崇高的地位，在今天仍然广为人知、受人尊敬。
物理术语解释日食：当月球直接位于太阳和地球之间，使月球在地球的一部分投下阴影时发生的一种现象。
万有引力：自然界的基本作用力之一。这是一种作用在物体之间的吸引力，受物体的质量和物体之间的距离的影响。
狭义相对论：一个由爱因斯坦创建的理论，发表于1905年，提出了空间和时间测量相对性的观念。
广义相对论：爱因斯坦于1915年发表的理论，是狭义相对论的推广，用于处理考虑引力的变速运动系统。
引力透镜：大质量天体的引力会使位于其后的光源发出的光线变弯，从而使我们的望远镜可以看到它们。
翻译对照表：《伦敦时报》 London Times
普林西比岛 Principe island
索布拉尔市 Sobral
乔治·黑尔 George Hale
克里米亚地区 Crimea
阿瑟·爱丁顿 Arthur Edington
查尔斯·戴维森 Charles Davidson
弗兰克·戴森 Frank Dyson
米歇尔·贝索 Michele Besso
希伯来大学 Hebrew University
制版 解读： 小圭月
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宇宙中5颗奇特的系外行星，其表面的恶劣程度难以想象！
在我们的太阳系中一共有八颗行星围绕着太阳旋转，其中内侧四颗为岩石行星，外侧四颗为气态行星，不过行星并非是太阳独有，在宇宙中几乎每一颗恒星都拥有自己的行星，而这些行星被天文学家们称为系外行星。到目前为止，天文学家通过望远镜已经在宇宙中发现了超过5000多颗系外行星，而且在这数千颗系外行星中，还存在着远超出我们想象的奇特世界， 如有些行星的表面会下玻璃雨。有的会上演冰火两重天， 有的甚至还会逃离母星的控制，成为流浪行星，而今天便带你了解宇宙中奇特的5颗系外行星。1.HR 5183b行星HR 5183b行星是一颗气态巨行星，它距离我们大约为100光年，质量是木星的三倍，当时天文学家在发现它后，曾表示从未见过如此奇特的系外行星，因为它拥有奇怪的蛋形轨道，并且具有极高的偏心率，假如我们将他想象成太阳系的木星，那么其最远轨道能够达到海王星之外，可以想象到他的奇特之处。2.WASP-76bWASP-76b行星位于双鱼座方向，距离我们地球大约为630光年，他是一个绕着F型主序星运行的气态巨行星，其质量大约是木星的0.92倍，半径为木星的1.83倍，而它之所以独特是因为在它的表面会下铁雨，由于距离母恒星非常近，已经被潮汐锁定，因此它的一面总是朝向恒星，其白天温度高达2500C，以至于该行星上的铁元素都熔化成了气体。这些铁蒸气被强风吹到较冷的区域，并凝结成液滴形成铁雨。3.HD189733bHD189733b是一颗距离地球约63光年的系气态巨行星，质量比木星还要大13%，在2008年，天文学家通过偏振测量法测定，发现HD189733b的蓝色波段反照率高于红色，这意味着他看起来是一个美丽的蓝色星球。不过HD189733b虽然呈现出蓝色但并不是海洋，因为HD189733b表面温度极高，天文学家经过进一步分析发现，在它的大气层中富含硅酸盐，而这些硅酸盐在高温下熔化，然后形成了玻璃雨。这些玻璃雨在风速高达9000公里/小时的超音速风中呈弧形落下。4.开普勒10b开普勒-10b是开普勒望远镜发现被确认的第一颗岩质系外行星，距离地球大约为564光年，质量是地球的3.2倍左右，假如你能够置身于该行星表面会发现他这里如同地狱一般，由于距离主恒星非常之近，只有太阳至水星距离的20分之一，因此表面温度高达1300C，而在如此高温下，开普勒-10b上的铁和硅酸盐都成了熔岩状态，从而形成巨大的熔岩海洋。同时在强风的携带中，还会下熔岩金属雨5.流浪行星我们知道几乎每个行星都是围绕其母恒星运行，但在宇宙中也有特例。有些行星可能由于某种原因会逃离母恒星的引力控制，独自在寒冷的黑暗空间中徘徊。而这些行星被称为流浪行星，比如CFBDSIR2149便是一颗被恒星抛出的流浪行星。它的体积是木星的7倍，表面温度约为400摄氏度，是一颗只有5000万至1.2亿年历史的年轻行星，不过他是何种原因被抛出原来的行星系统，我们还不得而知！以上便是5个奇特的系外行星，看完不禁令人惊叹宇宙的奇妙和多样性。那么你觉得以上哪个最奇特呢，欢迎在下方评论留言！
科学发现：12.5光年外有一颗最近似地球的行星，或有外星人存在？
一百年来，科学家们采用越来越先进的仪器设备搜寻外星人，这些设备包括但不限于陆地和太空的各种类型天文望远镜、无人探测器等等，从近及远，希望在茫茫宇宙中找到知音。但一直都在失望中，太阳系没发现，远离太阳系亿万光年的深空也没发现。这至少说明了两个问题，一是就是在宇宙中生命和文明太稀有，知音难觅；二是人类的科技和探测水平还处于很低层次，无法发现即便近在咫尺的外星生命和文明。随着各种地面天文望远镜、太空望远镜的不断提升，科学家们的目光从太阳系内逐步转向太阳系外，寻找可能存在生命的行星。1992年美国阿雷西博天文台发现了第一颗太阳系外行星，迄今已经有5000多颗太阳系外行星被发现。科学家们按照地球生命孕育和存在条件来寻找地外星球的生命之源，即寻找所谓的宜居星球。地球是一颗具有岩石外壳的行星，这样才能够适宜生命在表面活动；其次地球存在液态水，海洋才是地球生命的摇篮。而适宜温度，是液态水存在的前提条件，目前地球平均气温约为15℃。科学家们认定这是目前认知生命存在的两个硬条件，系外行星如果具备这两个条件，就属于宜居星球。行星本身不发光发热，主要依靠恒星的辐射能量才能保持温度，这样宜居星球就至少要与主恒星保持一定距离，远了不行，近了也不不行；宜居星球还不能像太阳系木星、土星、天王星、海王星那样的气态行星，而是像地球、火星这样的岩石行星。符合这两个条件的行星极少，在已经找到的5000多颗太阳系外行星中，类地行星大约只有几百颗，宜居带行星只有几十颗。当然，除了以上最重要的两项条件，要让生命孕育和存活还有许多严苛的要求，这样科学家们弄了个地球相似度指数，英文为Earth Similarity Index，简称为ESI，就是根据行星半径、密度、质量、逃逸速度、表面温度、处在宜居带的位置等，通过公式量化打分，取值0~1之间，0代表完全不同，1代表完全相同。一般认为0.5分以下的行星是不适宜生命存在的，相似度越高，孕育和存在生命的可能性就越高。在我们太阳系，除了地球，还有三颗类地行星，它们的ESI值分别为：水星0.6，金星0.44，火星0.7。金星是距离地球最近的行星，且质量和地球差不多，又距离太阳系宜居带最近，为啥ESI反而只有0.44呢？这就是因为那里的大气和表面状态十分恶劣，被称为太阳系的地狱行星。而火星ESI值为0.7，是太阳系与地球相似度最大的行星，这也是科学家们正在努力奔赴火星，企图开发火星的原因。而太阳系外一些经过科学家们精挑细选出来的行星，却有不少高于火星ESI值的星球，如格利泽-832 c为0.81，开普勒-442 b为0.83，开普勒-62 e为0.83，格利泽-667 Cc为0.84，开普勒-438 b为0.88等。距离我们最近的恒星比邻星也有两颗行星，其中比邻星b的ESI值也高达0.86。而我们今天重点要说的这颗蒂加登星b星，ESI值竟高达0.95！这是迄今为止，科学家们在太阳系外发现与地球最接近的行星，说它是地球的表兄弟甚至亲兄弟都不为过，那么那里会存在蒂加登星人吗？现在开始说重点：蒂加登星b是一颗怎样的星球？2003年，科学家在白羊座发现一颗暗弱的恒星，被称为SO J025300.5+165258，距离我们12.5光年。这项发现是NASA一个研究小组在搜寻之前的小行星数据资料中意外找到的，由此就以这个研究小组组长、NASA天体物理学家博纳尔·蒂加登的名字命名，被称为蒂加登星。为了方便读者理解，这里简要说一下系外行星的命名规则。一般来说就是在发现的恒星后面加上小写字母a以后的英文字母，a一般用于恒星，不用于行星。因此某恒星系统第一颗被发现的行星就被称为某恒星b，其次就类推为c、d、e、f、g…等等。蒂加登星现在发现了两颗行星，被分别命名为蒂加登星b和蒂加登星c，我们要说的ESI值达到9.5的行星就是蒂加登星b。为什么其与地球相似度这么高呢？首先，其公转轨道处于蒂加登星的宜居带，因此其表面温度适宜，这样，这颗星表面就很可能存在着液态水；其次，这颗星是一颗类地行星，其大小约地球的1.05倍，也就是个头质量与地球差不多，生命承受的重力也与地球相当。这是宜居星球最重要的两项指标，蒂加登星b都符合，通过计算其ESI值达到惊人的9.5。但因此就认为那上面一定会有我们的知音，就有些过于乐观了。实际上，蒂加登星b还有许多与我们地球不一样的条件，有些甚至令人细思极恐。蒂加登星b的主恒星蒂加登星是距离太阳最近的恒星之一，排在第24位。但这颗恒星很小，是一颗红矮星，质量只约太阳的8.9%，表面温度只有约2600度，不到太阳的一半，光度只有太阳的约十一万分之一，视星等为15.4等，距离人类肉眼能看到的6等星亮度差了5757倍，因此很晚才被发现。由于恒星很小，亮度热度较低，其行星为了获得可保存液态水的温度就必须距离恒星较近，因此在所谓宜居带的蒂加登星b距离蒂加登星就只有约0.025天文单位，约375万公里，也就是约为地球与太阳距离的0.025倍，约水星与太阳距离的十六分之一。根据蒂加登星的亮度和温度，在这样一个距离相当在我们太阳系的地球和金星轨道之间，正好是在宜居带，让蒂加登星b的表面气温能够保持在0摄氏度以上，理论上应该比地球更热一些，具备存在液态水的条件。但这种距离不可避免可能会发生两个事件：其一，蒂加登星强大的引力潮汐力很可能早就将蒂加登星b潮汐锁定了，就像月球被地球潮汐锁定一样，永远一面朝着主星；其二，强大的恒星风让蒂加登星b的大气很难保留。这样，蒂加登星b会成为一个冰火两重天的世界，朝着主恒星的一面处于永远的白天炽热状态，水被蒸发殆尽，而背着主恒星的一面则永远处于黑暗的冰封酷寒中，连大气都被冻结。而且，许多红矮星都是耀星，所谓耀星就是恒星上每天会出现几次超级耀斑爆发，紫外辐射会瞬间增强几百乃至上万倍，在耀斑爆发的几分钟内，恒星都会由红色变成蓝色，这种强烈的紫外辐射会杀死行星上一切生命，同时吹跑行星大气。大气和地磁是地球生命保护的双重铠甲，蒂加登星b没有了大气和地磁保护，将受到来自蒂加登星的强烈辐射，生命很难存活。而且，这样近的距离让绕蒂加登星公转一圈只需约117个小时，每秒线速度约56公里。也就是如果那里真的有蒂加登星人，他们约4.9个地球日就过了一年。当然，由于已经被潮汐锁定，就没有了一年四季，倒也感觉不到一年的寒暑变化。那么，蒂加登星b在这样的环境下会有生命存在吗？现在还是个未知数，也只能是个未知数。因为人类现在的观测水平还很弱，无法看清那里的一切，甚至根本看不到蒂加登星b的存在，只是通过大型天文望远镜分析恒星的光变和引力摄动，来估计那里的情况。如果要证实那里到底有没有蒂加登星人，最好的办法就是到那附近去看一看。可惜，现在人类的航天速度还处于蜗牛时代，虽然无人探测器通过行星引力弹弓效应已经达到了秒速200公里，但载人航天的速度还只能勉强达到第二宇宙速度，也就是每秒11.2公里。如果要飞出太阳系，至少要达到第三宇宙速度，即每秒16.7公里。如果载人航天在短期内达到第三宇宙速度，按每秒17公里的速度飞到蒂加登星去，一切都顺利的话，旅途也要22万年；即便无人探测器200公里秒速，飞往蒂加登星也需要18700多年。因此，要去蒂加登星看一看的愿望，在今天还只能是个不切实际的梦。这样，那里有没有蒂加登星人，就无法定论了。不过科学家通过分析，认为那里的生命存在条件并没有上述说的那么悲观，主要原因如下：1、蒂加登星的年龄至少已经有80亿岁了，这样比太阳就大了约35亿岁，作为红矮星年轻气盛的耀星时期已经过去了，恒星运行已经平稳多了，因此对蒂加登星b就友好多了，不至于有那么恶劣的辐射环境。2、即便蒂加登星的大气被吹跑了，又没有地磁保护，但只要有海洋存在，同样可以孕育和生存生命，因为海洋可以隔离和吸收辐射，生命可以生存在深水里。3、即便被潮汐锁定，一面固定对着恒星，另一面永远得不到光照，但如果有空气流动的话，依然能够传递热量，让背面也能感受到温暖；而且，在晨昏带，就是白天与黑夜的交界处，还有一圈恒温带，完全适宜生命存在。4、相对太阳这样的黄矮星，红矮星寿命超长，因此具有让生命稳定生存很长的时期，这个时间长达几百上千亿年，蒂加登星寿命可达万亿年。而太阳寿命只有100亿岁，而且让地球生命宜居的时间只有10～15亿年。5、现在的蒂加登星b比地球年龄大了35亿岁，如果蒂加登星人像人类一样的时间出现，现在文明已经有35亿年了，那是何等先进的文明啊。所以，科学家们还是看好那里的生命，更期盼着那里出现文明。如果那里真的存在高级别文明，我们去不了，说不定哪天蒂加登星人就来到我们面前呢。
