光有“重量”嗎？它受不受引力的作用？

這個問題曾引起許多著名物理學家的好奇心，正因為對它不懈地思索，促使愛因斯坦建立著名的廣義相對論，而對這個問題的實驗觀察，又使廣義相對論的正確性得以驗證。

“光的重量”問題還涉及現代天文學對星系及星系團的探索問題，甚至改變了人類對物質，乃至對整個宇宙結構的認識。

早在300多年前，牛頓曾經設想光是由粒子組成的，他不僅用光的粒子性解釋反射和折射現象，還認為像一切物體那樣，光也可能受到引力的吸引，在引力場中是有“重量”的。

1704年，牛頓在他的《光學》一書中寫道：“物體能隔著一段距離對光有作用嗎？這種作用會不會使光線彎曲？當距離最小時，這種作用也最強嗎？”雖然牛頓沒有進一步計算，但這一席話激起了人們對這一問題的興趣。

一百年過去了。1801年，德國天文學家約翰·索德納（John von Solder）做了詳細的計算，他得出光線在太陽引力作用下的彎曲量，可是這個量實在太小，以致在當時找不到足夠精確的儀器，也沒有那么精良的照相設備，驗證這個結果幾乎是不可能的，因而沒有引起人們的注意。

還有另外一位對光線引力彎曲感興趣的人，這就是英國著名的天文學家阿瑟·愛丁頓。他設想光線掠過太陽時，就像一顆顆光粒子掠過太陽。在太陽引力作用下，這些粒子的軌跡會發生彎曲。他利用牛頓引力理論進行計算，所得到的結果是，在光線經過太陽之后，光線彎曲0.9弧秒（弧秒是角度單位，1弧秒相當于0.01592度）。這個數值仍然太小，相當于光線傳播5千米，只有一個拇指寬度的偏斜量。

就在這一時期，愛因斯坦創建了廣義相對論，得到了引力場方程。根據這個方程，愛因斯坦也對光線受到太陽引力產生的彎曲進行了計算，得出來的結果與愛丁頓的結果相同。但這是愛因斯坦利用他最初那個不完善的引力方程算出來的。

當愛因斯坦完善了他的引力場方程后，所計算出來的光線彎曲量比原來增大了一倍，也就是1.8弧秒。他建議天文學界對這一現象進行實地測量。仿效牛頓，他也把這個觀測叫做“光線稱重”的實驗。

愛因斯坦是一位具有非凡想象力的人，這個“光線稱重”實驗設計得非常巧妙，他把實驗室搬到天空，實驗器械就是星球，這樣能展示出引力對光線彎曲的巨大威力。

引力透鏡是強引力場中一種特殊的光學效應。假設地球與一顆遙遠的天體之間剛好有一個強引力場天體，三者差不多在一條直線上，強引力場天體附近的時空彎曲使遠方天體的光不能沿直線到達地球，而使地球上觀測到的像偏離了它原本所在的方向，其效果類似于透鏡對光線的折射作用，稱為引力透鏡效應。

愛因斯坦還建議，實驗應該在日食發生時進行。如果在日食發生時，在太陽背后正好有一顆明亮的星，由于被太陽遮擋，人們看不到它，但是太陽引力的作用就好像透鏡，能使那顆星發出的光線在經過太陽時彎曲，彎曲后的光射向地球，人們將能通過太陽這個“引力透鏡”看到這顆被擋住的星。

日全食時，觀測太陽后面的目標原理圖

1917年，正在英國劍橋的愛丁頓注意到愛因斯坦的建議，他立刻意識到這一實驗的重要價值。愛丁頓是一位杰出的天文學家，不僅諳熟物理，對數學也很精通，當世界上絕大多數物理學家還不能讀懂愛因斯坦的理論時，他很快能讀懂，更洞見出這一理論在物理學和天文學中的重要價值。特別是當他得知，愛因斯坦計算出太陽引力彎曲值是他計算值的兩倍時，立刻意識到這個數據將是愛因斯坦對牛頓的挑戰，驗證這個值，恰好能在兩個引力理論中，鑒別哪一個是正確的。

這一挑戰也引起了英國天文學家、格林威治天文臺臺長弗蘭克·戴森的極大興趣。他立刻主持組建了兩支天文測量隊，一支派往非洲西海岸的普林西比島，另一支派往巴西北部的索布拉爾。

在1919年日食發生的前一個月，兩支測量隊分別到達駐地。

1919年5月29日日食發生的當天，測量隊架設好天文望遠鏡和照相設備，一次舉世矚目的天文學壯舉就這樣開始了。

然而那一天并不順利，天公不作美。在普林西比島，云將太陽遮住，無法捕捉到太陽背后的星光。“我們架設好望遠鏡和照相設備，準備好最優良的照相底片，目標照直對準一億多千米遠的太陽表面。”愛丁頓回憶道：“在當時我們什么也做不了。但我神秘地發覺，似乎沉默的大自然和昏暗的大地被觀測者的呼聲和節拍器的嘀嗒聲所喚醒，天空突然出現奇跡，我們終于獲得清晰的曝光。”

由于天氣不好，在普林西比島的觀測結果中，只有兩張底片可以得到測量數據。它們給出的結果是，從遙遠星光發出的光線在太陽引力作用下彎曲了1.61弧秒，與愛因斯坦的結果很接近。

在巴西，測量隊的觀測天氣非常好。他們的兩架望遠鏡都得到了結果。一個結果是1.98弧秒，另一個是0.9弧秒。愛丁頓選擇了那個大的結果。他解釋說，另一張底片非常模糊，不足以提供有說服力的數據。盡管這種做法存疑，英國皇家天文學會還是接受了愛丁頓的做法。

在當年的9月，實驗的結果陸續傳了出來。9月22日，亨德里克·洛倫茲發電報把這一消息告訴愛因斯坦，愛因斯坦非常興奮，物理學界也因為這一成功受到了很大的震動。據說德國著名的物理學家馬克思·普朗克一夜沒睡，焦急地等待觀測結果是否能證實愛因斯坦的廣義相對論。愛因斯坦后來開玩笑說：“他要是真正明白了廣義相對論，就會像我那樣上床睡覺去了”。

1919年11月6日，英國皇家天文學會在倫敦舉行盛大慶典，愛因斯坦的理論被證實的消息正式公之于眾。英國皇家學會會長，諾貝爾獎得主J.J.湯姆森莊重地指出，這是“人類思想史上最偉大的成就之一。這一發現，不是找到了一個孤立的科學理論，而是發現了科學思想的新大陸。這是自牛頓查明引力定律以來，和引力相關的最偉大發現。”

在1919年以前，愛因斯坦就已經蜚聲世界，當太陽的引力光線彎曲被證實后，他忽然變成家喻戶曉的公眾人物。《泰晤士報》的頭版頭條以“科學的革命——宇宙的新理論/牛頓的思想遭遇挑戰而被廢棄”為題報道了皇家學會慶典的盛況。

報道為讀者繪圖做出了解釋

在大西洋彼岸，《紐約時報》更會造勢，它的頭版頭條新聞的標題聳人聽聞：“天空中的光線都歪斜了！”為了更吸引讀者，這篇文章中說：“事實上，你所見到的星，并不在你所看到的那個地方。”其實這件事并不需要愛因斯坦的引力論，稍加思考就可以知道，來自幾萬、幾百萬，甚至上億光年的星光到達你的眼睛時，它們早就不在你所看到的那個地方了。

德國也迅速做出了反應，1919年12月14日，德國一份著名的報刊以幾乎整版刊登愛因斯坦的照片和文章。這篇文章的內容得體而莊重，標題是“世界史上的新星——阿爾伯特·愛因斯坦，他的研究變革了我們對自然界的認識，這一發現與哥白尼、開普勒和牛頓相比肩”。

兩年以后，愛因斯坦獲得“普魯士騎士”稱號（相當于英國的爵士），并得到一枚普魯士獎章，獎章有大塊懷表那樣大，有藍色和金色的緄邊，裝飾著四個金色的皇冠和一個普魯士鷹，但愛因斯坦從來沒有佩戴過它。

“引力透鏡”效應的真正價值體現在半個世紀以后。自20世紀70年代開始，人們利用射電望遠鏡觀測發自脈沖星的無線電波。無線電波不受太陽光的干擾，無須等待日食，還可以在白天黑夜持續觀測。大量的觀測結果不僅以很高的精度證實愛因斯坦的引力理論，還進一步測量到光線經過木星時的引力偏移。木星對光線引力偏移量是太陽的1/100，這一數值又恰好與愛因斯坦的理論結果相一致。

從20世紀末到21世紀10年代，光線引力透鏡效應已經是近代天文觀測不可缺少的手段，以哈勃空間望遠鏡、斯皮策紅外線空間望遠鏡及錢德拉X射線觀測臺為首，一個大型天文觀測目標正向宇宙深度進發。

天文學家利用發自遙遠星系背后各種波段射線的引力偏移，可以推斷遙遠星系的質量，探索遙遠星系周圍龐大的暗物質云，甚至發現更年輕星系的生成過程，由此推知宇宙星系形成初期的情景。

在大尺度物質世界中，光的“重量”是一個不能忽視的現象，也是左右宇宙結構的動因之一。根據愛因斯坦的引力論，只要有物質存在，無論時間還是空間都要受到影響，光線在引力場中的彎曲現象就是這一影響的表現之一。







審核編輯：劉清