相对论10：爱因斯坦不可能这么幸运
美国物理学家约翰·惠勒是费曼的博士导师，也是“黑洞”这个概念的提出者。惠勒曾经对量子力学有这么一个评论 —— 我们接触量子力学的感觉，就好像是一个从边远地区来的人第一次看见汽车。他会觉得汽车这个东西显然是有用的，而且肯定有重要的用处，可到底是什么用处呢？
我猜你第一次听说广义相对论也会有同样的感觉。广义相对论的思想跟牛顿引力公式是如此的不一样，这个理论是如此的精妙，它肯定有深刻的内涵，可到底是什么内涵呢？要知道就算你要登陆火星，牛顿力学也足够精确了。
爱因斯坦在1915年发表了广义相对论。这时候物理学家们已经普遍承认相对论的价值，但是爱因斯坦在公众眼中并没有什么声望。爱因斯坦就好像是一个互联网圈的创业者，每个了解他的人都承认他的想法是颠覆性的，能“改变世界”，但是没人知道他的公司应该有多大的估值，他还从来没在市场上赚到过钱。
不过爱因斯坦不用等太久。1916年，爱因斯坦提出，有三件事，能证明广义相对论是对的，牛顿力学是不那么对的。咱们先说其中两件。
1.水星进动
我们知道行星都在绕着太阳公转。如果你还记得高中物理，你应该知道行星公转的轨道通常不是标准的圆形，而是椭圆。椭圆有个长轴有个短轴，太阳在椭圆的一个焦点上。行星们就这么兢兢业业地、年复一年地沿着自己的椭圆轨道运动。
图片来自 www.phys.ncku.edu.tw
牛顿力学告诉我们，相对于太阳，这些椭圆轨道的位置是固定的。
按天文的标准，我们这个太阳的质量不算太大，整个太阳系内部的引力都不算太强。而只要引力不是特别强，广义相对论的计算结果跟牛顿力学都高度吻合，也是一样的椭圆轨道。但是广义相对论有个很微妙的性质 —— 用广义相对论算出来的椭圆轨道，并不是真正闭合的。
也就是说，行星公转一圈之后并不是恰好回到原来的出发点，会有一个小小的偏移！表现出来，就是椭圆轨道并不是完全固定的，每一圈都跟前一圈有个小小的差别。椭圆的长轴，会有一个慢慢的转动 —— 物理学家称之为“进动”。
下面图中红色椭圆代表牛顿力学计算出的行星轨道，蓝色的线代表有进动的行星轨道 ——
下面这张动图是对行星进动的一个夸张的演示 ——
来自维基百科
事情是这个事情，但情况是行星轨道的进动通常都非常、非常小，几乎就是无法观测的。
话分两头。另一方面，天文学家早在1859年就观测到，太阳系里距离太阳最近的行星，水星，一直都有一个进动。
但是19世纪的天文学家已经在很大程度上解释了水星的进动。因为水星附近还有其他行星，比如金星和地球，这些行星对水星也有引力，会干扰水星的轨道。天文学家精确计算了这些干扰，最后只剩下一点点进动，可以说是牛顿力学无法解释的。
这一点点有多大呢？是每一百年，进动43弧秒。这是个什么概念呢？我们知道圆周有360度，然后一度分为60弧分，然后一弧分再分成60弧秒。100年43弧秒，这是一个几乎无法察觉到的差距。但是天文学家对自己的计算非常有把握，他们认定，这43弧秒需要一个解释。
结果1916年，爱因斯坦做了一个计算，得出，因为广义相对论效应导致的水星轨道的进动……正好是每100年43弧秒！
2.光线弯曲
水星进动这个证据好是好，但是老百姓不容易理解。爱因斯坦提出的第二个证据，就非常直观了。
广义相对论要求时空可以是弯曲的，一切物体都要沿着时空中的测地线走 —— 一切物体，其中就包括了光。如果这个地方的测地线是弯曲的，那么光线就也会是弯曲的。比如说，如果这里有一个大质量的星球，那么远方的星光经过这个星球附近的时候，就可能发生偏折。
这件事牛顿力学里可是绝对没有，人们一直都认为光在真空中永远走直线。
不过如果你把牛顿引力公式和狭义相对论放在一起，其实也能预言光线的弯曲。狭义相对论说质量就是能量，反过来也可以说能量就是质量。光没有静止质量，但是有能量啊 —— 如果我们*强行*用光子的能量除以c²，也会得到一个光子的“运动质量”，就好像是一个有质量的物体一样。
那既然有质量，就应该能感受到引力，牛顿引力理论就足以给它一个偏转 —— 就好像彗星略过地球一样。
那广义相对论还有啥用呢？所幸的是，广义相对论预言的光线偏转，是“牛顿引力 + 狭义相对论”预言结果的两倍！
这样我们就有了三个直截了当的说法 ——
* 牛顿力学：光永远走直线
* 牛顿引力公式 + 狭义相对论：光线会被偏转，但偏转的程度较小
* 广义相对论：光线会被偏转，而且偏转的程度较大
所以现在只差一个观测验证。可是上哪找能让光线明显偏转的大质量的星球呢？月亮经常跟星星在一起，但是月亮的引力太小，偏转星光的效应看不出来，别的大质量星球都距离我们太远。当时的天文学家唯一能指望的就是太阳。
比如说，从地球上看，太阳的背后方向有一颗星，它到地球的星光如果走直线的话会被太阳挡住，我们根本看不到。但是因为相对论效应，如果星光有一个偏转，那我们就能看见这颗星，这不就证明了吗？
图片来自 http://www.lukemastin.com/physics/topics_relativity_general.html
图片来自https://www.bbvaopenmind.com/en/the-eclipse-to-confirm-the-general-theory-of-relativity/
这个思路好是好，可问题在于太阳太亮，它周围的星光都被太阳给掩盖了。
但是天文学家想到一个极端的情况，日全食。
日全食的时候，月亮会帮我们挡住太阳光，使得我们能看见太阳周围的星光。那如果我们事先算一算这个时候有哪些星星应该在太阳背后，你本来应该看不见，结果却在太阳周围看见它们了，这不就说明太阳弯曲了星光的路线吗？
爱因斯坦1916年计算出光线弯曲的正确结果，然后1919年5月29号，就有一次日全食。那时候第一次世界大战刚刚结束，英国天文学家爱丁顿，专门说服英国政府给了一笔经费，组织了两个观测团队，一个去巴西一个去非洲，专门为了验证广义相对论观测这次日食。
结果爱丁顿的团队就真的看到了原本不该出现在太阳周围的几颗星 ——
爱丁顿在皇家科学院宣读了观测结果，证明是广义相对论说得对。英国泰晤士报的报道用了个通栏标题 —— 《科学革命 —— 关于宇宙的新理论 —— 牛顿思想被推翻！》
爱因斯坦一夜成名。
3.爱因斯坦的运气
咱们现在考察广义相对论被世界接受的这段历史，你不能不承认，爱因斯坦的运气实在是太好了。
首先是这次日全食。爱因斯坦的计算结果刚出来三年，就赶上了日全食。我特意查了一下，地球上下一次有日全食得等到1937年6月8日。爱因斯坦动作稍慢一点，或者爱丁顿未能促成这次观测，相对论搞不好就得再等18年才能被人接受。
而这一次日全食发生的时候，太阳周围正好是毕宿星团的星星 —— 这个星团特别亮！再等下一次，还没有这么强的星光让你容易测到。
更巧的是，爱丁顿选择的这两个观测地点，在日食发生前后都是阴雨天气。巴西那个地方在日食当天早上还是多云，可是在日食发生前一分钟，天空中太阳那个位置的云居然散开了，给天文学家开了一小片晴天。非洲那个地方也是有云，也是恰好在日食期间让太阳露出来一小会儿。
爱因斯坦要是个中国人，他也许会说一句“天助我也”。
而且人和也很重要。如果爱因斯坦是个注重声望的人，他除了感谢爱丁顿还应该感谢泰晤士报。“牛顿被推翻”这个标题直接把爱因斯坦送上了牛顿之后最伟大的科学家的位置。如果咱们“得到”报道这次科学发现，肯定不会用这个充满民科味道的标题，最起码应该用《光线可以被引力弯曲！》
我曾经听后来的人分析，爱因斯坦之所以能在短时间内从“世界上最了不起的物理学家”变成“世界伟人”，跟他1921年访问美国的旅程关系很大。美国媒体和老百姓都非常喜欢爱因斯坦……不过那时候他们并不怎么了解一般的科学家都什么样。
不论如何，爱因斯坦配得上所有这些幸运和荣誉。但我还是想说，爱因斯坦最大的幸运，是他生在了那个时代的欧洲。
天文学家之所以能在1856年（大清咸丰六年）发现水星进动，是使用了从1697年（大清康熙三十六年）到1848年一百五十年的水星活动记录。这个发现非常非常不容易，你要知道水星的轨道几乎就是一个圆形，并不怎么“椭”，那些古代的天文学家首先得准确判断这个椭圆的长轴在哪里，然后还得记录这个长轴的变化。
然后他们还能精确计算金星和地球引力对水星轨道的影响，最后得出一个非常非常小，但是无比坚定的，跟牛顿力学的差异。而且那时候可没有什么计算机。
想想相对论的历史，你肯定会感叹“爱因斯坦不可能这么幸运！”但是别忘了精英日课以前说过，幸运是这个宇宙的通行证。
现在广义相对论既然被接受了，咱们下一讲不管讲到它的什么离奇的推论，你都得接受。