爱因斯坦的成名时刻：星光的引力偏折（上）

如果对物理史有一定了解的朋友，想必对标题中所言的“星光的引力偏折”这一说法并不陌生，这正是爱因斯坦提出广义相对论后，第一个为大众所熟知的预测实验，也是他公众知名度蹿升的时刻。

今天所讲的内容就是关于这一伟大实验所经历的前后历程，分为上下两篇文章，这是上篇。

爱因斯坦的广义相对论是在1915年诞生的（也就是狭义相对论诞生后过去了10年），但这个关于光线会在引力场中偏折的结论，却早在1911年就已经得出，之后的实验（1919年）证明虽然定性的结论没有错（光线的确会偏折），但数值结论却是1911年结论的两倍左右，好在爱因斯坦赶在实验前又重新修正了结论。

在此之前，我们必须得讲一下著名的等效原理，这也是后来广义相对论的重要基石。1907年，爱因斯坦还是伯尔尼专利局的一名专员，大约是11月份的某一天，爱因斯坦突然灵光一现："一个自由落体的人是无法感受到自身重量的。"就这短短的一句话，实则暗含了引力场与加速场在一定条件下的等价联系。

（补充理解：我们可以考虑在空旷的宇宙空间中存在一个密封的电梯轿厢，并且轿厢底部装着引擎，且以地球表面重力加速度的数值进行加速飞行。此外还有一位倒霉蛋由于昨夜过度饮酒导致昏睡不省人事，在这样的情况下，他被人放进了电梯轿厢。

一切都很安静，直到这个倒霉蛋酒醒了，他略吃力的站了起来，在轿厢底部来回踱步，虽然刚刚醒酒，但意识已经清晰了，他认出了这是电梯内部，并且这个电梯并没有启动，因为他丝毫没有感受到加速度的存在。他的内心坚信，我只要把电梯门扒开就能获得自由（潜台词就是：我仍在地球上，处于引力场中）。

而在另一个平行时空，这个电梯内放的不是一个酒鬼倒霉蛋，而是一台极其精密的科学仪器，它能从电梯轿厢的一侧发出平行于底部的激光，而在另一侧则有一个接收屏。因为这是人为设计的实验，因为实验的结论都是建立在电梯存在加速度的前提下而得出的，很显然，由于加速度的存在，这束激光并不能平行于轿厢底部笔直的飞行，接收屏幕上的点势必要往下降一些。这一点大家很容易想象。

此时我们将两个时空里的结论综合一下发现：在小范围内引力和加速度是等价的，光线既然能在加速场中弯曲，那么也能在引力场中弯曲，因此光线在经过天体时都会偏折。）

在有了等效原理的雏形后，爱因斯坦便着手计算了一下引力红移现象，即光子在离开天体时，能量会下降。而对于光线在天体附近的偏折，却一直到了1911年才着手计算，由于当时广义相对论还没有完全成型，因此计算结果是完全是基于等效原理的，并不涉及时空弯曲这一广义相对论的精髓（所以说，1911年的数值结论是错误的）。

1911年6月，爱因斯坦将这一结论用论文的形式发表出去，题目就是《关于引力对光线传播的影响》，当时给出的结论是：光线在经过太阳表面时，会偏折0.83角秒（这个结论是按照当时的天文数据得出的，如果用现在的数据，则是0.87角秒）。

实际上，“光线经过天体会发生偏折”这一结论并不是相对论独占的，用牛顿力学同样可以算出一样的结论。（在1784年，著名科学家卡文迪许就曾得到过这样的结论，但是并未发表）

用牛顿力学解决这个问题并不困难，以光粒子的角度出发（实际上就想象为一颗具有质量的光速小球），切入太阳表面，随后利用万有引力公式进行计算，最后求出前后速度的偏折角度即可，最后的公式如下图

其中G是引力常数，M是太阳质量，r是太阳半径，c是光速

弧度制的结果是4.212*10的负六次方，换算为角度制，就是0.87角秒。

但是注意，不管是1911年爱因斯坦利用等效原理得出的结论，还是牛顿力学给出的结论，实际上都是错误的，真正的结论是爱因斯坦在1915年重新修正得到的。

说了这么多光线偏折结论的前因，那么最终又是由谁来证实了这一结论呢？

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