本文是我的博文《为什么物体的速度不能超过光速 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=537101&do=blog&id=419520〉的系列扩展。

 

首先，我从科学网宋文淼老师的搏客大段引用了他的结论：

他的最主要的在广义相对论中被人讲得最多的实验例子就是关于光线通过的引力场的弯曲问题。库珀对此作了一个很客观的描述：“1919年日全蚀期间，国际考察团对此进行了考察。……进行和解释这种测量是件非常复杂的事情(据说，两个天文学家看了同一张照片后可以给出不同的解释)……光束会有轻微的弯曲，这一点所有人都同意。但是这个弯曲的大小在数值上是否与相对论的预言相一致还不清楚”。这个例子现在看来已经没有意义了，任何电磁波波束，从来就不是以直线前进，它是扩散的，一个极细的激光束，如果从地球射到月球估计要扩大到一个盆那样大。所以光通过太阳的边沿时，光束也会向原来被遮挡的阴影处扩散，这一扩散的大少是不确定的，取决于感光材料的能力。在电磁场理论中，对于波束的大小的定义取决于的波束边沿与中心场强衰减的分贝数，取1分贝、3分贝或5分贝衰减作标准，大小要差别十多到几十倍。对于电磁波在被物体遮挡后的弯曲，即电磁波的绕射，从爱因斯坦的那个实验以后的近百年来，至少也有成千篇的论文，人们知道这种绕射现象首先与波长有关，还和边缘形状、材料介质特性有关，从没有一个人提出过与绕射体的质量有什么关系。当然我们并不能肯定光的传播特性一定与引力无关，但是我们可以肯定的是在现在的理论和技术条件下我们不可能通过测量确定电磁波传播是否与引力有关。这实际上也与现在理论物理上很热的光的静止质量的测量类似，光的静止质量的测量也是同样的问题，这也是现在测量不出来的。因为现在的电磁场理论本身还没有达到需要测量光的传播与引力场的关系那种水平。也就是说到现在为止，所有电磁场理论和工程中还没有发现电磁波的传播与引力的关系。因为如果电磁波的传播与引力有关，就必须改变麦克斯韦方程组，但是事实上现在的问题还不是是否要改变麦克斯韦方程组，而是如何把麦克斯韦方程组本身搞清楚的问题。信息科学中与电磁波有关的所有实践都证明了在一定的近似下，至少在考虑目前信息应用的线性的单模的近似下，麦克斯韦理论完全符合实际结果。电磁波的更复杂的问题：如时域与频域的关系、瞬时观察与时间平均观察的关系、特别是光的连续性和量子性问题，也许搞清楚了一些皮毛，也许连这一点皮毛也是不准确的。现在看来由广义相对论的理论为前提所提出的各种对于电磁场的理论和测量问题都无助于对光的本质的深入认识，如目前进行的光的质量测量、光速测量等等除了能够证明相对论的逻辑前提本来就只是一种没有物理根据的假设以外，实际上得不到任何其它什么真正有物理意义的东西。因为这种实验的逻辑前提就是不当的。光速测量就要首先搞清光速的物理内容，现在测量的光速从几百上千倍光速，到每秒几十米，到零，到负光速都有，光速理论没有搞清楚，这些结果有什么意义？实际上这些光速是根据经典场论中特殊条件下才有某些含糊不清意义的所谓相速、群速、能量传播速度、信息传播速度等等概念计算出来的，除了能够把人搞得更加糊涂外，不会对于人们认识电磁场带来什么帮助。同样光的质量可以是零可以是正、是负、是实、是虚。不把波理论从牛顿理论、相对论、量子理论这样一些杂乱的理论框架下理出一个头绪，实验也好、理论也好、计算也好都不大可能产生实际的用处。其实不仅是电磁波连电子的质量同样是一个逻辑上不清楚的概念：它有没有引力质量？不清楚。因为从来没有人发现过电子器件的性能与电子器件的放置方向，或地面的器件到空间时因引力发生的改变而产生的性能改变。引力红移也是一个类似的问题，我们并不能完全肯定引力对于电子或电磁波一定完全没有作用，但是可以肯定这种作用对于任何到现在为止的技术问题没有产生过可以观察得到的影响。所以不要说爱因斯坦时代，即使现在这种测量的结果也还是无法真正分析清楚的，它比其它误差特别是测量中必须用到的理论本身的误差还要小得太多了。就像一百年中水星进动的43″的误差那样，我们还没有搞清楚的比他大得多的影响还很多很多。如光压就是一个实实在在的物理作用，它发现得比相对论还早，但是现在也没有办法进行计算。物理学家所提出的计算光压的办法实际上都是根本不能真正应用的。广义相对论的理论本身存在那么大的逻辑上的缺陷，它既不是从实际观察中来的，也不是从逻辑推理中推导出来的，而是通过假设中凑出来的。爱因斯坦一直希冀从从理曼空间和时间的四维时空几何中凑出一个能与实验相近似的理论。但是，现在已经证明了不论引力波或引力场对光的作用了都是那么的小，完全不可能从假设中凑出的一理论可以达到如此高精度，来足以证明广义相对论能够把引力理论和电磁场理论整合成一个逻辑自洽的理论体系。这使我们可以肯定继续研究这种理论现在已没有什么意义了。即使广义相对论能够告诉我们一些东西，这些东西也远远小于我们已经知道确实存在的，但是现在还无法考虑而只能放弃的那些因素。这就是说爱因斯坦的广义相对论研究的目标还是可以理解的，但是那种靠时空关系来创造的理论是不可能达到它的目标的。

 

其次，光线弯曲不是广义相对论独有的预言。早在1801年索德纳（Johann von Soldner，1766－1833）就根据牛顿力学，把光微粒当做有质量的粒子，预言了光线经过太阳边缘时会发生0.87角秒的偏折。1911年在布拉格大学当教授的爱因斯坦根据相对论算出曰食时太阳边缘的星光将会偏折0.87角秒。1912年回到苏黎士的爱因斯坦发现空间是弯曲的，到1915年已在柏林普鲁士科学院任职的爱因斯坦把太阳边缘星光的偏折度修正为1.74角秒。

再次，需要观测来检验的不只是光线有没有弯曲，更重要的是光线弯曲的量到底是多大，并以此来判别哪种理论与观测数据符合得更好。这里非常关键的一个因素就是观测精度。即使观测结果否定了牛顿理论的预言，也不等于就支持了广义相对论的预言。只有观测值在容许的误差范围内与爱因斯坦的预言符合，才能说观测结果支持广义相对论。20世纪60年代初，有一种新的引力理论——布兰斯－迪克理论（Brans－Dicke Theory）也预言星光会被太阳偏折，偏折量比广义相对论预言的量小8％。为了判别广义相对论和布兰斯－迪克理论哪个更符合观测结果，对观测精度就提出了更高的要求。

第四，光线弯曲的效应不可能用眼睛直观地在望远镜内或照相底片上看到，光线偏折的量需要经过一系列的观测、测量、归算后得出。要检验光线通过大质量物体附近发生弯曲的程度，最好的机会莫过于在发生曰全食时对太阳所在的附近天区进行照相观测。在曰全食时拍摄若干照相底片，然后最好等半年之后对同一天区再拍摄若干底片。通过对相隔半年的两组底片进行测算，才能确定星光被偏折的程度。这里还需要指出，即使是在曰全食时，在紧贴太阳边缘处也是不可能看到恒星的。以1973年的一次观测为例，被拍摄到的恒星大多集中在离开太阳中心5到9个太阳半径的距离处，所以太阳边缘处的星光偏折必定是根据归算出来的曲线而外推获得的量。靠近太阳最近的一、二颗恒星往往非常强烈地影响最后的结果。

 

第五， 为了在1919年5月29曰发生曰全食时进行检验光线弯曲的观测，英国人组织了两个观测远征队。一队到巴西北部的索布拉尔（Sobral），另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛（Principe），爱丁顿参加了后一队，但他的运气比较差，曰全食发生时普林西比的气象条件不是很好。1919年11月两支观测队的结果被归算出来：索布拉尔观测队的结果是1.98〃±0.12〃；普林西比队的结果是1.61〃±0.30〃。1919年11月6曰，英国人宣布光线按照爱因斯坦所预言的方式发生偏折。
但是这一宣布是草率的，因为两支观测队归算出来的最后结果后来受到人们的怀疑。天文学家们明白，在检验光线弯曲这样一个复杂的观测中，导致最后结果产生误差的因素很多。其中影响很大的一个因素是温度的变化，温度变化导致大气扰动的模型发生变化、望远镜聚焦系统发生变化、照相底片的尺寸因仍煌冷缩而发生变化，这些变化导致最后测算结果的系统误差大大增加。爱丁顿他们显然也认识到了温度变化对仪器精度的影响，他们在报告中说，小于10°F的温差是可以忽略的。但是索布拉尔夜晚温度为75°F，白天温度为97°F，昼夜温差达22°F。后来研究人员考虑了温度变化带来的影响，重新测算了索布拉尔的底片，最大的光线偏折量可达2.16〃±0.14〃。
底片的成像质量也影响最后结果。1919年7月在索布拉尔一共拍摄了26张比较底片，其中19张由格林尼治皇家天文台的天体照相仪拍摄，这架专门用于天体照相观测的仪器所拍摄的底片质量却较差，另一架4英寸的望远镜拍摄了7张成像质量较好的底片。按照前19张底片归算出来的光线偏折值是0.93〃，按照后7张底片归算出来的光线偏折值却远远大于爱因斯坦的预言值。最后公布的值是所有26张底片的平均值。研究人员验算后发现，如果去掉其中成像不好的一、二颗恒星，会大大改变最后结果。
后来1922年、1929年、1936年、1947年和1952年发生曰食时，各国天文学家都组织了检验光线弯曲的观测，公布的结果有的与广义相对论的预言符合较好，有的则严重不符合。但不管怎样，到20世纪60年代初，天文学家开始确信太阳对星光有偏折，并认为爱因斯坦预言的偏折量比牛顿力学所预言的更接近于观测，但是爱因斯坦的理论可能需要修正。
1973年6月30曰的曰全食是20世纪全食时间第二长的曰全食，并且发生曰全食时太阳位于恒星最密集的银河星空背景下，十分有利于对光线偏折进行检验。美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲建造了专门用于观测的绝热小屋，并为提高观测精度作了精心的准备，譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、对整个仪器的温度变化进行监控等等。在拍摄了曰食照片后，观测队封存了小屋，用水泥封住了望远镜上的止动销，到11月初再回去拍摄了比较底片。用精心设计的计算程序对所有的观测量进行分析之后，得到太阳边缘处星光的偏折是1.66〃±0.18〃。这一结果再次证实广义相对论的预言比牛顿力学的预言更符合观测，但是难以排除此前已经提出的布兰斯－迪克理论。