弗洛因蒂希與廣義相對論

弗洛因蒂希與廣義相對論

一廣義相對論的大學(xué)研究1911年6月，愛因斯坦完成了一篇關(guān)于“光的傳播方式”的文章（1）。這篇文章擴展了他1907年對引力問題的思考。在等效原理的基礎(chǔ)上,他推出了兩條結(jié)論,其一是太陽光的譜線與地上光源的對應(yīng)譜線相比要稍微偏向紅色一端,即引力紅移效應(yīng);其二是光線在引力場中會彎曲。愛因斯坦這時開始正式將引力問題作為自己的主要研究對象。從初期發(fā)展的靜態(tài)引力場理論到后來推廣至一般化的引力場理論,愛因斯坦經(jīng)過近五年的艱苦努力才得到了他心目中理想的相對性引力理論,他稱之為“廣義相對論”。盡管愛因斯坦在研究引力問題的過程中費盡周折,但是他并沒有等到塵埃落定時才提出要對自己的理論進(jìn)行檢驗,相反,早在1911年的文章中,他就清晰地表明自己的態(tài)度:“非常希望的是天文學(xué)家們能夠過問此處提的問題”(1)。完成文章的幾個月后,他找到了天文學(xué)家弗洛因德里希(ErwinFreundlich,1885-1964)(2)。從那時起,弗洛因德里希就踏上了檢驗廣義相對論的漫長旅程(3)。在這個過程中,他為這項工作付出了諸多努力。早在1914年,他就為檢測光線彎曲效應(yīng)遠(yuǎn)赴俄國觀測日食,但第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)使他功虧一簣(4)。在對引力紅移效應(yīng)的研究毫無進(jìn)展的情況下,他開創(chuàng)性地使用統(tǒng)計學(xué)的方法來研究恒星光譜線的紅移。在掌管愛因斯坦塔(Einsteinturm)期間,他又組織了多次日食遠(yuǎn)征行動。到了20世紀(jì)20年代末期,為了得到更清晰的日食圖像以及更精確的測量值,他設(shè)計了一種特殊的天文照相儀[Hentschel1997,p.103]。然而,說到廣義相對論的天文學(xué)檢驗,人們聯(lián)想到的人物往往是愛丁頓(ArthurStanleyEddington,1882-1944)。1919年11月6日,英國皇家學(xué)會與皇家天文學(xué)會舉行聯(lián)席會議,宣布愛丁頓等人率領(lǐng)的英國日食遠(yuǎn)征隊最終證實了廣義相對論預(yù)測的光線彎曲效應(yīng)。這一表態(tài)使廣義相對論成為了世人關(guān)注的焦點,愛因斯坦也隨之在國際上聲名鵲起。而愛丁頓作為證實了愛因斯坦預(yù)測的天文學(xué)家,自然也得到了不少的關(guān)注。愛丁頓的工作不僅獲得了愛因斯坦的贊揚,而且還被賦予一種更深遠(yuǎn)的意義:它象征著德英兩國科學(xué)界的通力合作,并為修繕這兩個前敵對國在“一戰(zhàn)”后的關(guān)系做出了巨大的貢獻(xiàn)。相較之下,弗洛因德里希的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅就顯得一波三折。突如其來的戰(zhàn)爭不僅使他失去了觀測日食的機會,還令他遭受牢獄之災(zāi)。而且,他檢驗廣義相對論的工作不但長期得不到德國同行的響應(yīng),還招來了他在柏林皇家天文臺(K?niglicheSternwarte)的上司斯特魯維(HermannStruve,1854-1920)的不滿。他為檢驗廣義相對論做出的種種努力甚至因為與時任德國天文學(xué)會主席以及慕尼黑大學(xué)天文學(xué)教授賽利格(HugovonSeeliger,1849-1924)的爭論而淪為同行的笑談,這給他的科學(xué)聲譽留下了抹不去的污點。他的科學(xué)事業(yè)從此步入低谷。這一困境的產(chǎn)生與德國天文學(xué)界對廣義相對論的普遍反對態(tài)度不無關(guān)系。弗洛因德里希與愛因斯坦以及廣義相對論之間的這層關(guān)系,令他成為了廣義相對論在德國的早期接納史中一個不可回避的人物。本文的初衷是介紹弗洛因德里希在1911-1920年間對廣義相對論所做的檢驗工作,同時,借此來窺視廣義相對論早期在德國的處境。國內(nèi)鮮有學(xué)者對弗洛因德里希做過系統(tǒng)的介紹。本文關(guān)于此人的二手文獻(xiàn)全部來自于國外學(xué)者的研究。從上世紀(jì)七八十年代開始,國外陸續(xù)有科學(xué)史家寫文章來介紹弗洛因德里希?！犊茖W(xué)家傳記詞典》(DictionaryofScientificBiography)中有關(guān)弗洛因德里希的小傳[Forbes1972]算是這類文章中較早的一篇。現(xiàn)任斯圖加特大學(xué)歷史研究所所長的亨切爾(KlausHentschel)對弗洛因德里希的研究最為詳細(xì)。他的專著“TheEinsteinTower:AnIntertextureofDynamicConstruction,RelativityTheory,andAstronomy”[Hentschel1997]圍繞弗洛因德里希和愛因斯坦塔來展開敘述,詳細(xì)介紹了弗洛因德里希的生平和研究工作,同時也重點介紹了愛因斯坦塔的由來、內(nèi)部環(huán)境以及在納粹上臺前這里開展的研究工作。從內(nèi)容來看,這本書可以看成是弗洛因德里希的個人傳記,但它仍缺乏一些細(xì)節(jié),例如弗洛因德里希在1911-1913年間做的一些檢驗工作以及1914年日食遠(yuǎn)征的過程。作為補充,我還查閱了有關(guān)弗洛因德里希的其它重要二手文獻(xiàn)[Crelinsten2006、Pyenson1974和Pyenson1985等]。本文還參考了其它相關(guān)的二手文獻(xiàn):有關(guān)廣義相對論早期在德國的接納史;有關(guān)廣義相對論的起源;以及有關(guān)天體物理學(xué)興起的歷史以及光譜線紅移的歷史。本文援引的主要一手文獻(xiàn)是TheCollectedPapersofAlbertEinstein(下稱CPAE)的中文版《愛因斯坦全集》(下稱《全集》)的第3、5、6、8卷,以及原版的vol.9和10。二與愛因斯坦的合作1.弗洛因迪希的體育學(xué)研究弗洛因德里希(1)1905年到1910年在哥廷根大學(xué)接受了數(shù)學(xué)、天文學(xué)以及物理學(xué)方面的教育(1),并得到了天體物理學(xué)家史瓦西(KarlSchwarzschild,1873-1916)及數(shù)學(xué)家克萊因(FelixKlein,1849-1925)的指導(dǎo)。在克貝(PaulKoebe,1882-1945)的建議下,他選擇函數(shù)分析作為博士論文的研究方向。弗洛因德里希的畢業(yè)成績并不算優(yōu)秀:博士論文被克萊因評為第三等(opuslaudabile);數(shù)學(xué)口試只拿了“及格”(rite)。克萊因給予弗洛因德里希的評價是“要從他那得到準(zhǔn)確的答案,很難”,也提到“他對數(shù)學(xué)的很多領(lǐng)域都十分感興趣”[Hentschel1997,pp.5-6]。無論如何,這個25歲的年輕人最終還是順利拿到了博士學(xué)位。畢業(yè)之際,在克萊因的推薦下,他獲得了在柏林皇家天文臺工作的機會(2),被安排做臺長斯特魯維的助理研究員。他的職業(yè)生涯正式開始了。在弗洛因德里希進(jìn)入天文學(xué)界的時期,一門與天文學(xué)相關(guān)的新學(xué)科早已興起,這是一個值得注意的背景。這個學(xué)科的名字“天體物理學(xué)(Astrophysics)”很能反映該學(xué)科的特點:涉及天文學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科(3)。盡管英德等歐洲國家在傳統(tǒng)天文學(xué)上具有的優(yōu)勢也在天體物理學(xué)上得到了體現(xiàn),但從19世紀(jì)末開始,美國天體物理學(xué)發(fā)展得更為迅猛。在太平洋周邊建立的美國天文臺擁有相當(dāng)優(yōu)良的設(shè)備及絕佳的大氣觀測環(huán)境,成為了天體物理學(xué)研究的前沿陣地,如坎貝爾(WilliamCampbell,1862-1938)領(lǐng)導(dǎo)的里克天文臺(LickObservatory)及哈雷(GeorgeHale,1868-1938)領(lǐng)導(dǎo)的威爾遜山天文臺[Crelinsten2006,p.11]。20世紀(jì)初,德國只有一所國家資助的天體物理天文臺(4)——波茨坦天體物理天文臺(AstrophysikalischesObservatorium,下稱波茨坦天文臺),在1876年建成。在成立后的二十余年時間里,該天文臺在天體物理學(xué)研究中做出了開創(chuàng)性的工作[Hermann1984]。相比于波茨坦天文臺,弗洛因德里希就職的柏林皇家天文臺是傳統(tǒng)天文學(xué)的陣地。弗洛因德里希每日的工作內(nèi)容包括編制星表、利用子午環(huán)進(jìn)行測量、觀測恒星光度等常規(guī)工作事項。[Hentschel1997,p.6,p.37]就在弗洛因德里希畢業(yè)的前一年,即1909年,哥廷根的天體物理學(xué)教授史瓦西被任命為波茨坦天文臺的臺長,繼續(xù)他的關(guān)于恒星大氣的輻射轉(zhuǎn)移理論的研究,同時也開始進(jìn)行光譜學(xué)研究[Hermann1984]。接受過史瓦西指導(dǎo)的弗洛因德里希自然對天體物理學(xué)研究不會陌生。然而此時的他也許并不清楚自己真正的研究興趣,也不可能預(yù)見到5年后的自己想盡辦法擺脫柏林皇家天文臺指派給他的沉重任務(wù),甚至還希望進(jìn)入波茨坦天文臺學(xué)習(xí)天體物理學(xué)方面的觀測技術(shù)。而這一切的改變都緣于一次偶然的機會。2.弗洛因迪希對菲爾德思想的認(rèn)知在1911年8月的一天,弗洛因德里希接受了一個任務(wù),接待從布拉格德語大學(xué)來這里參觀的人員。就在這天,他認(rèn)識了布拉格德語大學(xué)宇宙物理研究所的演示員波勒(LeoPollak,1888-1964)[Pyenson1974,p.315]。從弗洛因德里希妻子后來的回憶(1)可以看出,弗洛因德里希從波勒口中得知了愛因斯坦即將發(fā)表的新理論,并且立即對它產(chǎn)生了興趣。波勒回到布拉格后又在1911年8月24日給弗洛因德里希寫了一封信,除了寄去愛因斯坦文章的校樣之外,波勒還向他指出需要對這篇文章中的兩個預(yù)測——引力紅移效應(yīng)和光線在引力場中的彎曲效應(yīng)進(jìn)行天文學(xué)上的檢測,同時轉(zhuǎn)達(dá)了愛因斯坦對于能在太陽系的行星上檢測光線彎曲效應(yīng)的強烈懷疑態(tài)度(2),最后希望他能提供一份關(guān)于天文學(xué)檢驗的進(jìn)一步報告(3)。弗洛因德里希給愛因斯坦的回信已經(jīng)遺失,但從愛因斯坦9月1日的信(4)來看,弗洛因德里希很可能在信里提及了如下內(nèi)容:首先,他擔(dān)心太陽大氣層的折射作用會對觀測產(chǎn)生很大影響,建議用木星替代太陽作為觀測對象;其次,針對愛因斯坦的要求,他建議著手檢驗已有的日食照片,也許能夠從中發(fā)現(xiàn)有用的信息。對于第一個建議,愛因斯坦在回信中表示,他仍十分懷疑是否能檢測到木星上的效應(yīng),但他對第二個建議相當(dāng)感興趣,并且也期待看到弗洛因德里希利用這一方法獲得的結(jié)果(1)。弗洛因德里希很快就投入到尋找日食照片的工作當(dāng)中去了。三關(guān)于重力理論的初步驗證：1911年至1913年1.光照彎曲效應(yīng)弗洛因德里希向愛因斯坦建議先對已有的日食照片展開測量,這自然是考慮到組織一次日食遠(yuǎn)征行動并非一件易事。日食現(xiàn)象并不常有,而且日食遠(yuǎn)征耗錢耗時耗力,成敗還需要幾分運氣,因此,若已有的日食照片能提供證據(jù)來證明愛因斯坦預(yù)言的光線彎曲效應(yīng),那么日食遠(yuǎn)征就沒有必要了。很可能在國內(nèi)天文臺(如波茨坦天文臺及漢堡天文臺(2))的搜尋無果(3),他開始尋找與國外天文臺聯(lián)系的機會。1911年10月的一天,時任阿根廷國家天文臺臺長的珀賴因(CharlesPerrine,1867-1951)途經(jīng)柏林,打算在此逗留幾小時。得知此消息的弗洛因德里希拜訪了他。珀賴因早前曾任職于里克天文臺,對“火神星(4)問題”的研究令他在天文學(xué)界有一定的知名度[BaumandSheehan2003,pp.238-239]。弗洛因德里希此番前來的目的正是希望向珀賴因請教一個問題:里克天文臺拍攝的日食照片有沒有可能用來測量光線彎曲效應(yīng)。珀賴因則認(rèn)為,無論是為了觀測日冕還是尋找水內(nèi)行星而拍攝的照片恐怕都不適合用來測量光線彎曲效應(yīng)。前者由于曝光時間短、視域較小,因此包含的恒星數(shù)量少;后者中的太陽處于一個十分奇特的位置,對于測量光線彎曲效應(yīng)是不利的。盡管如此,珀賴因仍建議他給里克天文臺寫信索要火神星照片,同時還提議他也可以向其它幾個天文臺詢問日食照片[Perrine1923,pp.282-283]。弗洛因德里希遵循了珀賴因的建議,在1911年11月25日向哈佛大學(xué)天文臺、美國海軍天文臺、里克天文臺以及英國的天文臺(5)分別發(fā)出了通函。而在哈佛天文臺臺長皮克林(EdwardPickering,1846-1919)的建議下,他又向史密森尼天文臺(SmithsonianAstrophysicalObservatory)發(fā)出了詢問信。到了次年的二月份,同時間發(fā)出的大多數(shù)信都得到了天文臺的回應(yīng),只有里克天文臺遲遲沒有音訊。于是,弗洛因德里希在2月24日又寫了一封信,直接寄給坎貝爾。一個月后,他收到了坎貝爾的回信,同時還收到了史密森尼天文臺的照片以及美國海軍天文臺的照片?？藏悹栐谛胖斜硎驹敢庵С炙墓ぷ?并承諾將照片寄給他。但是與珀賴因一樣,坎貝爾也因為照片中太陽的位置而擔(dān)心這些照片很可能不適合測量光線彎曲效應(yīng),他以自己豐富的經(jīng)驗判斷,在適用于這一目的的日食照片中,太陽應(yīng)該是在中間位置。出于更周全的考慮,坎貝爾建議弗洛因德里希寫信給珀賴因,讓他在即將于十月份進(jìn)行的日食觀測中拍攝一些適合于檢驗光線彎曲效應(yīng)的照片。坎貝爾也親自寫信給珀賴因提出這一請求,并答應(yīng)將拍攝火神星用的照相儀借給珀賴因。珀賴因同意了這個請求。在其它照片都被證明不適用之后,弗洛因德里希只能完全將希望寄托在火神星照片上了?；鹕裥钦掌罱K于1912年10月抵達(dá)柏林,就在珀賴因計劃觀測的那次日食發(fā)生后不久。幾天后,坎貝爾收到珀賴因發(fā)自巴西的電報,得知日食觀測計劃因下雨而失敗[Crelinsten2006,pp.59-60]?；鹕裥钦掌擦罡ヂ逡虻吕锵５南Ｍ淇?正如里克天文臺的幾位專家提醒過的那樣,這些照片確實不適合用來檢驗光線彎曲效應(yīng)(1)。在10月下旬,愛因斯坦已經(jīng)從弗洛因德里希那里了解到目前“已有的觀測照片都不夠清晰”(2)。最終的測量結(jié)果發(fā)表在1913年1月的《天文學(xué)通報》(AstronomischeNachrichten)上,弗洛因德里希在其中指出自己獲得的所有日食照片都不適用,就連非常有價值的里克天文臺的照片最終也被證明是“幻夢”(illusorisch),于是,他決定暫時擱置測量日食照片的計劃,因為就當(dāng)時情況來看,特別是在波恩大學(xué)天文臺臺長屈斯特納(K.F.Küstner,1856-1936)幫助他測量一部分照片之后,他認(rèn)為找到合適的日食照片的機會渺茫[Freundlich1913]。2.關(guān)于和諧的家庭研究失望的人不光只有弗洛因德里希,愛因斯坦在得知已有的日食照片都不合適之后,他也表示“很可惜”。惋惜之余,他又重提了弗洛因德里希早期建議的另一方法:白天對太陽周邊的恒星進(jìn)行觀測(1)。弗洛因德里希在一年多以前就對愛因斯坦提過這一設(shè)想,但是愛因斯坦當(dāng)時十分懷疑它的可行性(2)。而他這次會主動提起這個想法,恐怕也是受到了日食遠(yuǎn)征失利與弗洛因德里希對日食照片做出的初步結(jié)論的影響,在已有方案失敗而下一次日食還要再等待兩年的情況下,其它任何可能的方法都值得嘗試。愛因斯坦這時已脫離布拉格枯燥的學(xué)術(shù)環(huán)境來到瑞士聯(lián)邦技術(shù)大學(xué)(ETH)擔(dān)任教授,有很多的機會向瑞士當(dāng)?shù)馗鼘I(yè)的天文學(xué)家咨詢白天觀測的可能性。盡管愛因斯坦從天文學(xué)家那里得到了否定的答案,然而他通過自己的分析,判斷出要在白天拍攝到靠近太陽的恒星的照片也并非完全不可能,只是這樣的照片在大氣環(huán)境不佳的地方難以獲得(3)。弗洛因德里希對此的看法不得而知,但從信件中,我們能清楚地看到他與愛因斯坦在一年后還在關(guān)注白天觀測太陽周圍的恒星的問題。1913年8月,弗洛因德里希在研究白天觀測的計劃;10月,愛因斯坦寫信給哈雷,詢問他對白天觀測的專業(yè)意見;在10月舉行的第二屆索爾維會議期間,愛因斯坦與一位英國天文學(xué)家林德曼(A.F.Lindemann,1846-1931)討論了白天觀測的可能性。哈雷在與坎貝爾討論后向愛因斯坦詳細(xì)說明了白天觀測存在的諸多困難,包括靠近太陽的天空亮度太大、難以測定從太陽邊緣到恒星的距離的變化差異等等。他最后建議愛因斯坦仍要依靠拍攝日食照片來檢測光線彎曲效應(yīng)。有趣的是,林德曼對于白天觀測的問題倒是持開放的態(tài)度。他開始研究這個問題,后來還成功發(fā)明了白天恒星攝影術(shù)(4)。也許是聽取了哈雷的意見,弗洛因德里希很快放棄對白天觀測問題的研究。在1917年寫的一份研究計劃中,弗洛因德里希表示自己在此方向上的研究工作從來沒有開始,因為“既不掌握方法又沒有工具可用”。他接著提到了林德曼在這個方向上的工作,他認(rèn)為,林德曼在白天恒星攝影術(shù)上的成功說明“采用此法并非毫無希望”(5)。但實際上,林德曼的這一方法最終并沒能在光線彎曲效應(yīng)的觀測上做出有價值的發(fā)現(xiàn)(6)。3.嚴(yán)格的限制—期待1914年的日食從1912年開始,愛因斯坦把研究重心放在了引力問題上。在完成了靜態(tài)引力場問題后,他下一步要做的工作是研究引力的動力學(xué)問題。這個研究工作的艱難常常出現(xiàn)在這一時期愛因斯坦給友人的信里(1)[派斯2004上,頁313]。直到次年6月,他與格羅斯曼(MarcelGrossmann,1878-1936)合作的“綱要”(Entwurf)才發(fā)表。在飽受“折磨”后寫就的論文并沒有令愛因斯坦十分滿意,因為對于廣義協(xié)變性,他“只是取得了局部的成功”。這個問題令愛因斯坦憂心忡忡,至少在文章發(fā)表的兩個月后,他還對這個結(jié)論感到不安(2),但是幾個月后,愛因斯坦已經(jīng)可以愉快地告訴友人他對引力理論感到十分滿意,因為他發(fā)明的“空洞”論證證明了引力場方程只對線性變換是協(xié)變的[Stachel1989,p.71]。在研究理論的這兩年里,除了應(yīng)付理論本身帶來的困難之外,愛因斯坦還要直面同行的反對意見。普朗克(MaxPlanck,1858-1947)、索末菲(ArnoldSommerfeld,1868-1951)、勞厄(MaxLaue,1879-1960)等人都在不同場合向他表示過不同意此理論。德國物理學(xué)界的普遍反對并未使愛因斯坦感到沮喪。他告訴弗洛因德里希,他很高興看到同行們對他的理論發(fā)生了興趣,“即使他們目前的意圖僅僅是為了扼殺這個理論”(3)。也許對愛因斯坦來說,批判理論始終比對理論不聞不問要好得多。照這樣看來,德國天文學(xué)家的普遍態(tài)度應(yīng)該會讓愛因斯坦十分頭痛,因為,除了弗洛因德里希,這個群體依然未對理論做出正面回應(yīng)。愛因斯坦多次在給友人的信里提到1914年的日食,足以表現(xiàn)他對1914年的日食寄予厚望。他之所以這么重視這次日食,不僅因為“綱要”初步完成,而弗洛因德里希的檢驗工作又沒有任何的進(jìn)展,也是因為這次日食將判斷愛因斯坦的引力理論與另一個引力理論之間孰優(yōu)孰劣(4)。1913年8月,弗洛因德里希計劃與新婚妻子一個月后去阿爾卑斯山度蜜月,得知此消息的愛因斯坦誠邀他們到時在瑞士見面。經(jīng)雙方商定后,會面的地點定在蘇黎世。這次會面并非是弗洛因德里希與愛因斯坦的第一次會面(5),但它無疑給弗洛因德里希留下了相當(dāng)深刻的印象。弗洛因德里希夫婦不僅受到了愛因斯坦的熱情款待,還在愛因斯坦的強烈要求下跟他一起去了離蘇黎世不遠(yuǎn)的弗勞恩費爾德(Frauenfeld)參加瑞士自然研究者協(xié)會舉辦的會議。在會上做關(guān)于“綱要”的演講時,愛因斯坦特意向眾人宣布:弗洛因德里希是“將要在明年檢驗這個理論的人”(1)。四1914-1915年的理論研究1.19信號的獲得和限制讓出現(xiàn)觀測資料獲得融資在1912年的日食遠(yuǎn)征以及測量已有日食照片的工作均以失敗告終之后,弗洛因德里希便把目光瞄準(zhǔn)了1914年的日食。他迫切地希望有盡可能多的天文學(xué)家或是機構(gòu)參與來年的日食遠(yuǎn)征行動,這種心情不僅體現(xiàn)在他1913年1月寫的報告中,還反映在他2月寫給坎貝爾及格林威治天文臺臺長戴森(FrankDyson,1868-1939)的信中。然而,在沒籌到經(jīng)費的情況下,坎貝爾不敢向他承諾里克天文臺最終能夠成功組織日食遠(yuǎn)征,而戴森直接以“這個研究相當(dāng)棘手”為由拒絕了他。也許害怕無人組織日食遠(yuǎn)征,弗洛因德里希當(dāng)時下決心自己上陣(2)。5月,情況有了轉(zhuǎn)機。坎貝爾獲得了私人基金的贊助,日食遠(yuǎn)征的事情也就此被提上了議程。里克天文臺的加入無疑令弗洛因德里希感到非常開心,他希望里克天文臺能與自己的天文臺共享觀測資料,并請求坎貝爾同意他將來利用里克天文臺的觀測資料所寫的論文在德國發(fā)表。借著來德國開會的契機,坎貝爾在8月份與弗洛因德里希見了一面。兩人就日食遠(yuǎn)征一事交流意見,坎貝爾還表示他十分愿意把觀測資料提供給弗洛因德里希使用。[Crelinsten2006,pp.76-77]在一切都看似進(jìn)展得頗為順利之時,一個重要的障礙突然檔在前面:弗洛因德里希的日食遠(yuǎn)征計劃沒有獲得他的上司斯特魯維的支持。這很可能意味著日食遠(yuǎn)征所需的資金和設(shè)備都將沒有著落。所幸的是,斯特魯維也沒有一味地阻止,他建議弗洛因德里希向普魯士科學(xué)院申請資助(3)。這已經(jīng)是1913年12月份了,離來年的日食只有八個月的時間,若資金的問題不能及時解決,那么接下來的預(yù)訂設(shè)備、配備人員等方面的工作都不能進(jìn)行下去了。弗洛因德里希一方面向普魯士科學(xué)院提交申請書,另一方面向愛因斯坦求救。愛因斯坦也深知時間緊迫,他在回信中向弗洛因德里希陳述了解決該問題的三個方案:首先,他準(zhǔn)備請普朗克出面說服普魯士科學(xué)院批準(zhǔn)這一申請;其次,如果普魯士科學(xué)院最終不同意,他會通過哈伯(FritzHaber,1868-1934)向他的私人贊助者科佩爾(LeopoldKoppel,1843-1933)求助;最后,如果各種方法都行不通,那么他本人來資助這次遠(yuǎn)征?！八浴?愛因斯坦在信的結(jié)尾說道:“……不要因為錢的問題而浪費時間!”(1)事實上,后面的兩個方案都沒有必要,在普朗克的幫助下,普魯士科學(xué)院于1月批準(zhǔn)了這個申請,2月初,教育部下?lián)芰丝铐棥８ヂ逡虻吕锵＿€從其他渠道籌集了幾筆資金:化學(xué)家費歇爾(EmilFischer,1852-1919)捐獻(xiàn)了三千馬克;克虜伯公司捐獻(xiàn)了三千馬克;柏林市的雅戈爾基金會(JagorStiftung)也捐獻(xiàn)了一些經(jīng)費(2)。充裕的資金保證了日食遠(yuǎn)征得以照常按計劃執(zhí)行。前文已經(jīng)提到,拍攝適用于檢測光線彎曲效應(yīng)的日食照片有一些需要注意的技巧。這些技巧對設(shè)備的要求頗高,稍微有一點偏差就很可能測不出這個相當(dāng)小的效應(yīng)(3)。弗洛因德里希也十分清楚這一點,他向阿根廷國家天文臺借來設(shè)備,還訂制了一些配件。在一切準(zhǔn)備就緒后,弗洛因德里希帶領(lǐng)著柏林皇家天文臺的另一名天文學(xué)家以及蔡斯公司的一名機械師在1914年7月19日啟程。與他們共同執(zhí)行這次觀測任務(wù)的還有來自阿根廷國家天文臺的人員,這兩隊人馬將在這次日食遠(yuǎn)征的目的地——俄國的克里米亞——會合[Crelinsten2006,p.81;Perrine1923]。一周后,弗洛因德里希一行抵達(dá)了克里米亞。他們安裝并架設(shè)好照相儀等設(shè)備,一心等待著8月21日日食的到來。然而,不期而至的戰(zhàn)爭卻令這一切努力都付諸東流了。8月1日,德國對俄國宣戰(zhàn)。三天后,弗洛因德里希和隊友接到俄當(dāng)局的驅(qū)逐令,但為了將來能與德國交換俘虜,俄當(dāng)局又將他們拘留在敖德薩,并扣押了他們的設(shè)備。在近一個月的監(jiān)禁之后,弗洛因德里希等人才獲釋,在9月初回到了德國,但是設(shè)備卻被留在俄國(4)。其它天文臺的觀測計劃也因種種原因而失敗。由于借給弗洛因德里希的設(shè)備被扣押,而自己的設(shè)備又遲遲沒有運到,阿根廷國家天文臺的天文學(xué)家只能眼看著日食的發(fā)生卻無能為力。里克天文臺拍攝照片的希望也因為濃云遮住了太陽而落空[Crelinsten2006,p.83]。就這樣,愛因斯坦和弗洛因德里希萬分期待的這次日食遠(yuǎn)征徹底以失敗告終。2.弗洛因迪希因本在1914年的日食遠(yuǎn)征之前,弗洛因德里希還研究了其它檢驗愛因斯坦理論的方法,包括尋找借助木星來檢測光線彎曲效應(yīng)的可能性以及尋找引力紅移的證據(jù)。在1914年4月,愛因斯坦在給友人的信里提到了弗洛因德里希最近在這兩方面的一些進(jìn)展:他找到了能夠證明光線通過木星引力場會發(fā)生彎曲的方法,同時還證明了太陽譜線存在中心紅移現(xiàn)象(1)。從前文可以看到,利用木星代替太陽來檢測光線彎曲效應(yīng)的想法很早就被弗洛因德里希提出,但由于愛因斯坦認(rèn)為木星產(chǎn)生的效應(yīng)太小而難以被檢測到,因此弗洛因德里希并沒有對這個問題做進(jìn)一步的研究。而他這次利用木星來檢測光線彎曲效應(yīng)的方法,據(jù)他自己介紹是建立在荷蘭天文學(xué)家卡普坦(JacobusKapteyn,1851-1922)的恒星視差法之上的。他胸有成竹地表示該方法已經(jīng)得到了在卡普坦視差法方面頗有經(jīng)驗的天文學(xué)家的首肯(2)。不過,在1918年之前,這個方法一直停留在計劃階段,從沒有被應(yīng)用過。缺少精準(zhǔn)度高的儀器是一方面的原因,弗洛因德里希在1917年寫的研究計劃表明他向蔡斯公司等設(shè)備制造商專門訂制的儀器還未制造完畢(3);另一方面的原因無疑來自于斯特魯維的阻礙。在1915年底,愛因斯坦就曾坦言對弗洛因德里希的方法有信心,只是有“可憐蟲們”在妨礙這個檢驗的進(jìn)行。愛因斯坦口中的“可憐蟲們”之一就是斯特魯維,斯特魯維的確不贊同弗洛因德里希的方法,他斷定觀測木星的光彎曲現(xiàn)象的企圖將不會有任何結(jié)果(4)。然而,觀測木星一事在1918年之后似乎就不了了之了,起碼截止到1920年底,弗洛因德里希與愛因斯坦在信里再也沒有討論過這件事情,而且弗洛因德里希在1919年度的工作報告中也完全沒有提到這件事情。這很可能是因為一方面,弗洛因德里希的研究精力全部放在了檢測引力紅移效應(yīng)的問題上;另一方面,英國遠(yuǎn)征隊在1919年首次證實了愛因斯坦預(yù)言的光線彎曲效應(yīng),對木星的光線彎曲效應(yīng)的檢驗工作就顯得沒有必要了。3.引力紅移效應(yīng)弗洛因德里希較晚才著手研究引力紅移的問題,在1914年首次發(fā)表了這方面的文章(1)。這與光譜線紅移問題的復(fù)雜性不無關(guān)系。早在1911年的文章中,愛因斯坦就擔(dān)心在其它因素的影響下,人們很難確定引力勢是否致使譜線紅移。愛因斯坦對譜線紅移問題的了解無疑在他與朱利葉斯連續(xù)幾個月的通信后增進(jìn)了許多,他很明確地告訴弗洛因德里希,鑒于造成譜線偏移的原因有多種(包括壓力、光的色散以及多普勒效應(yīng)),他不相信對太陽光譜線的研究“可以得到無歧義的結(jié)果”(2)。歷史上對于譜線紅移現(xiàn)象的認(rèn)識始于19世紀(jì)80年代。當(dāng)時人們將太陽光譜中的夫瑯和費線(3)與實驗室中對應(yīng)元素的電弧光譜線進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)夫瑯和費線波長更長,即更偏向光譜的紅光區(qū)域。多普勒效應(yīng)和壓力效應(yīng)是受到最多關(guān)注的可能解釋,但從20世紀(jì)10年代開始,一些反對壓力效應(yīng)的證據(jù)逐漸突顯出來,這多數(shù)歸功于英國天文學(xué)家埃弗謝德(JohnEvershed,1864-1956)。在排除了壓力效應(yīng)后,他認(rèn)為剩下的解釋只能是太陽表面的徑向?qū)α?radialconvectioncurrents)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)了。在1914年發(fā)表的關(guān)于譜線紅移的文章中,弗洛因德里希通過分析法國物理學(xué)家法布里(CharlesFabry,1867-1945)以及比松(HenriBuisson,1873-1944)的紅移數(shù)據(jù)以及埃弗謝德的紅移數(shù)據(jù),得出的日面中心光譜線相對弧光譜線的平均紅移與愛因斯坦的預(yù)測值很接近。這至少表明引力勢也是譜線紅移的一種可能解釋。史瓦西在同年也對紅移問題進(jìn)行了初步分析。他測量了位于日面中心到邊緣的五處不同的光譜線相對電弧光譜線的偏移,得到的所有值都小于愛因斯坦的預(yù)測值,但這并未對愛因斯坦理論的構(gòu)成致命威脅,因為史瓦西的數(shù)據(jù)可能存在未被消除的系統(tǒng)誤差。更有效的反對來自于埃弗謝德同一年與太陽物理學(xué)家羅伊茲(ThomasRoyds,1884-1955)的研究。他們此時已經(jīng)通過弗洛因德里希的文章知道了愛因斯坦的引力紅移說,也承認(rèn)弗洛因德里希借助早期的數(shù)據(jù)得到的值的確與愛因斯坦的預(yù)測值十分接近,但是他們指出,引力紅移說并不能對一些觀測事實做出解釋,例如日面中心的不同光譜線的紅移效應(yīng)各不相同,而引力紅移只與引力勢相關(guān),與光譜線的種類無關(guān)[Crelinsten2006,pp.74-75;Forbes1961,pp.138-139]。日食遠(yuǎn)征的失敗并未減退弗洛因德里希檢驗愛因斯坦理論的熱情。為了研究紅移效應(yīng),弗洛因德里希另辟蹊徑。其他紅移效應(yīng)的研究者僅對太陽光譜和地面光源的光譜做分析,而弗洛因德里希企圖采用統(tǒng)計學(xué)的方法來研究大質(zhì)量恒星的光譜。弗洛因德里希這種獨樹一幟的做法其實也是無奈之舉。要想從現(xiàn)有的迷團(tuán)中判斷引力勢的作用究竟是否存在,直接有效的方法是依靠更為先進(jìn)的天文設(shè)備做出更加精確的測量,但是弗洛因德里希完全不具備像威爾遜天文臺那樣優(yōu)良的研究條件。別說做精確測量,柏林皇家天文臺就連測量星光紅移的儀器都沒有(1)。此路不通,只能另求他法。弗洛因德里希將目光瞄準(zhǔn)了大質(zhì)量恒星,在愛因斯坦的建議下(2),他利用雙星系統(tǒng)作為研究對象。研究論文在1915年3月份完成[Freundlich1915b]。愛因斯坦對這篇文章的論證過程持保留意見,他向弗洛因德里希指出了多處令人疑惑的地方以及一處計算錯誤。弗洛因德里希并未按照愛因斯坦的意見一一修改文章,甚至還保留了那個計算錯誤及對平均密度取值的含糊說明。但無論如何,這篇文章的結(jié)論仍為愛因斯坦所重視。愛因斯坦不僅在普魯士科學(xué)院的會議上提到了弗洛因德里希的這篇文章,以此來說明引力紅移效應(yīng)已經(jīng)被證實存在于某類恒星上了(3),他還在給一位學(xué)生的信中興奮地說到,光譜線的引力紅移效應(yīng)已經(jīng)得到了“輝煌的證實”(4)。五測試工作量1.關(guān)于弗洛因迪希和史瓦西的目事實證明,愛因斯坦對弗洛因德里希文章的疑慮是有道理的。弗洛因德里希通過一些不太有說服力的前提條件及不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓浪愕玫降慕Y(jié)論難免讓人感覺有些牽強,但最嚴(yán)重的一個錯誤卻未被他改正過來(5)。四個多月后,弗洛因德里希從上司斯特魯維那兒得知,賽利格發(fā)現(xiàn)并修正了他文章中的一個錯誤公式。對于為什么會注意到弗洛因德里希的錯誤,賽利格自己的說法是愛因斯坦的引力理論等近來出現(xiàn)的物理學(xué)假設(shè)都令他十分懷疑,在聽說愛因斯坦很看重弗洛因德里希的證據(jù)后,他對其萌生了興趣[Hentschel1997,p.30]。但是一件小事也許為賽利格為何會關(guān)注弗洛因德里希的文章提供了更大的猜想空間。弗洛因德里希在2月底寫了一篇反駁賽利格關(guān)于在水星和太陽之間存在著彌散物質(zhì)的假說的文章[Freundlich1915a]。這篇文章刊登在同年6月份出版的一期《天文學(xué)通報》上。弗洛因德里希并沒能給此假說以致命的攻擊。賽利格的回應(yīng)在9月份登出,在對他的假說做出詳細(xì)的解釋之余,還針對這位“批評先生”的“尖銳攻擊”(scharfenAngriff)中的四處薄弱論證一一做出了反駁,從而很好地捍衛(wèi)了自己的理論[vonSeeliger1915]。事情至此還遠(yuǎn)沒有結(jié)束,弗洛因德里希不久又引爆了一枚炸彈。根據(jù)賽利格的指正,弗洛因德里希在8月份就完成了對文章的修改,發(fā)表在1915年12月出版的一期《天文學(xué)通報》上[Freundlich1915c;Hentschel1997,p.29]。然而這篇文章徹底激怒了賽利格,因為文章從頭到尾只字未提他的貢獻(xiàn)。如果之前賽利格只是質(zhì)疑弗洛因德里希的科學(xué)能力的話,那么他現(xiàn)在必定對弗洛因德里希的品行產(chǎn)生了極大的懷疑。賽利格的憤怒充分地表現(xiàn)在他給斯特魯維的信里。他義正言辭地表示,科學(xué)中一貫奉行的道德準(zhǔn)則就是要指明改正的出處,而弗洛因德里希的這種不誠實的行為是他從業(yè)四十年來聞所未聞的。他無法對這種過分的行為保持沉默,決定要將其公之于眾[Hentschel1997,p.30]。很快,賽利格的第二次回?fù)舫霈F(xiàn)在三期后的《天文學(xué)通報》上。弗洛因德里希松散的論證一下子就被賽利格攻擊得一無是處。賽利格首先指出Freundlich1915b的結(jié)論因為錯誤的公式而完全站不住腳。接著,他以一種揭秘的口吻“下面將指出(弗洛因德里希)是利用什么樣的方法取得的成功”引出了他對Freundlich1915c中最不可靠的密度取值問題的攻擊。弗洛因德里希在取值問題上的輕率令賽利格感嘆到,整個計算過程顯得非常隨意,且毫無意義。賽利格在結(jié)論中指出坎貝爾等人的數(shù)據(jù)非但沒有顯示出存在引力紅移效應(yīng),還否定了其存在的可能性。最后,他還不忘提醒大家“應(yīng)該注意”弗洛因德里希先生的觀察方法以及論證方式[Hentschel1997,p.29;vonSeeliger1916]。盡管弗洛因德里希立即在《天文學(xué)通報》上發(fā)表了簡短的說明,對于自己沒有做出正確的更正表示遺憾,同時表示需要更多的觀測資料來檢驗自己的結(jié)論[Freundlich1916]。但這短短三行的說明根本無力挽回賽利格那篇文章引發(fā)的后果。愛因斯坦在1915年底終于得到了具有廣義協(xié)變性的引力場方程(1)。他還從中推導(dǎo)出了符合觀測值的水星近日點進(jìn)動值,這令他感到十分滿意(2)。成功的喜悅也使他對另外兩個還未完全得到證實的預(yù)測滿懷信心。同時,這一版本的廣義相對論也改變了史瓦西的想法。該理論能夠解釋水星近日點運動的異常,令身處戰(zhàn)爭前線的史瓦西感嘆“真是絕頂?shù)拿畈豢裳浴?1)。在1916年1月,他計算出愛因斯坦方程的第一個精確解,即著名的“史瓦西解”。然而,賽利格的有力反駁使得弗洛因德里希的文章連定性地證明引力紅移都做不到,愛因斯坦最后也不得不承認(rèn)這一點(2)。這給他剛剛完成的廣義相對論帶來了一次不小的沖擊。之前保持沉默的一些德國天文學(xué)家在這次爭論事件中表明了對廣義相對論的態(tài)度,賽利格和斯特魯維都認(rèn)為牛頓引力理論能夠解釋水星近日點進(jìn)動問題,波茨坦天文臺的觀測員魯?shù)堑婪?FriedrichLudendorff,1873-1941)也專門撰文反駁了弗洛因德里希所謂的殘余紅移的存在。而本已有所改觀的史瓦西也對廣義相對論的信念有些動搖。他在給賽利格的信中說到,他有些后悔相信愛因斯坦的理論了,希爾伯特(DavidHilbert,1862-1943)的引力理論更好些[Hentschel1997,p.31]。這次爭論事件釀出的災(zāi)難恐怕是弗洛因德里希始料未及的。它不僅給德國天文學(xué)界對廣義相對論的接納造成了負(fù)面的影響,更重要的是,它還令弗洛因德里希獲得天文臺觀測員一職的希望徹底破滅。從1915年初開始,弗洛因德里希就謀求成為觀測員,“以便盡可能將我的精力投入以創(chuàng)建現(xiàn)代物理學(xué)理論為目標(biāo)的課題”(3)。此想法得到了愛因斯坦與普朗克的支持。對愛因斯坦來說,弗洛因德里希能夠成為不受臺長控制的觀測員自然是有益處的,他可以全身心地投入檢驗廣義相對論的工作。然而斯特魯維的強硬態(tài)度使普朗克和愛因斯坦的幾次斡旋都失敗了(4)。弗洛因德里希對賽利格的失敗挑戰(zhàn)以及他的計算失誤令斯特魯維愈發(fā)的不滿(5)。弗洛因德里?？赡鼙唤夤偷南⑸踔羵鞯搅藨?zhàn)場上的史瓦西那里(6)。為了防止他真的因這場風(fēng)波被解雇,愛因斯坦還提醒他在商量有關(guān)職位問題時要謹(jǐn)記小心行事(7)。弗洛因德里希也許壓根兒沒想到自己的粗心大意會釀成這樣嚴(yán)重的后果。盡管他最后得以保住柏林皇家天文臺的工作(8),但他在德國天文學(xué)界的前景堪憂,他的壞名聲甚至傳到了物理學(xué)界。不僅天文學(xué)界的同仁紛紛向愛因斯坦指出弗洛因德里希的不是,就連物理學(xué)家索末菲都建議愛因斯坦遠(yuǎn)離他[Hentschel1997,p.32]。雖然愛因斯坦亦受到這次事件的影響,對弗洛因德里希的弱點有了更清楚的認(rèn)識,但鑒于弗洛因德里希在廣義相對論驗證工作中的諸多付出,愛因斯坦認(rèn)為拋棄他是“無賴”的行為,更何況當(dāng)前的形勢使他“只能依靠弗洛因德里希一個人”(1)?？墒?“天文學(xué)堡壘”(2)的威力令弗洛因德里希調(diào)換職位的希望一再落空。有理由相信在這段時間(1916-1917)里,弗洛因德里希驗證廣義相對論的工作一度處于停頓狀態(tài)。2.波茨坦臺臺的決策直到柏林科學(xué)界許諾給愛因斯坦的威廉皇帝物理研究所在1917年10月1日成立了[Castagnetti&Goenner2004,pp.20-21;p.23],弗洛因德里希調(diào)換工作一事才有了新的希望。他與威廉皇帝物理研究所簽署了為期三年的合同,從事的研究項目就是檢驗廣義相對論及其相關(guān)問題。在一年多的沉寂之后,他終于能夠?qū)Ｐ闹轮镜赝度敫信d趣的研究工作當(dāng)中。但是,愛因斯坦的研究所無法為弗洛因德里希提供天文觀測的場地,他仍必須依托天文臺來做研究。愛因斯坦也深知這一點,他還在極力幫助弗洛因德里希找尋合適的研究場所。波茨坦天文臺是一個最佳選擇。早在1915年,愛因斯坦就希望弗洛因德里希能夠利用天體物