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浅析相对论不充分的天文观测 （本文在投稿相关杂志后张贴于网络，以利与广大学者深入探讨。） [摘语：间接证明广义相对论预言的正确性，主要有两项天文观测活动。可是，水星进动的证明与理由并不充足；在对日食的天文观测并间接证明广义相对论正确性的整个活动中，爱丁顿具有极大的主观认定倾向。] 间接证明广义相对论预言的正确性，主要有两项天文观测活动。一是观测到了水星的进动与狭义相对论的计算值非常吻合。二是观测到了光线经过引力巨大的恒星附近也会弯曲。 众所周知，广义相对论的理论前提是等效性原理之假设条件，是在牛顿的惯性原理的基础上提出的。可是，“牛顿惯性原理的基本要素有三：一是参照系（绝对静止的以太，或者是一个绝对静止并可以度量整个宇宙空间的坐标系）；二是对于任何一个物体而言，它位于这个坐标系中；三是外力不对这个物体作用，或者是作用的合力为零。显然，引力及引力场不是牛顿惯性定律的基本要素。然而，爱因斯坦在应用惯性定律上存在两个显然的谬误。一是把具有公转和自转运动特征的地球视为惯性系的的谬误，二是强行把引力场作为惯性系的属性的谬误”[1]。当我们对广义相对论的那两个具有决定性意义的天文观测实验重新进行科学分析后，将不难发现其结论性判定与总结（报告）的不完备性谬误。 1、水星进动的证明与理由不足 一方面，据《中国大百科全书》介绍，水星进动的论证尚存有两个问题。首先，根据牛顿定律，水星近日点有每世纪5557.62角秒的进动，其中的90%是由坐标系的岁差引起，其余的部分是由其它行星、特别是金星、地球和木星的摄动引起的；而实际观测值为5600.73角秒，二者相减得：每世纪43.11角秒。因此，岁差常数的任何微小变动，如有万分之一的变动，对会直接影响到广义相对论的验证，而这种变化是完全可能的。其次，影响水星近日点的因素很多，任何一个微小的因素，例如太阳的扁率，对它都有影响，因此，这个问题尚需继续研究。[2] 另一方面，两位美国科学家对水星的近日点问题作出了进一步的研究。他们的解释刊登在《百科知识》1982年12期上：“最近，天文观测表明，太阳并不是一个密度均匀的球体，指出，太阳95%的质量集中在一个核内，此核转动速度比太阳外层转动快六倍，由此导致太阳极区变扁，赤道膨胀，这又改变了太阳引力场的传统测量。水星近日点进动每世纪5600.7秒，假设太阳是球形的，牛顿理论计算为5557.6秒，误差43.1秒，爱因斯坦以1%的精确度解释了这一误差。然而，如果太阳是椭圆形的，牛顿定律所解释的运动误差将小于43.1秒，而爱因斯坦广义相对论解释值误差将加大。” 且不管这个解释正确与否，牛顿、爱因斯坦把太阳视为均匀圆球体的做法是不精确的。因为太阳本身事实上并不是一个均匀球体，至少它是椭圆形的。由于水星离太阳最近，所以它受太阳不规则形状的引力影响最显著。牛顿将太阳视为一个理想的质点，来计算水星的近日点运动。由于前提的误差，计算的结果出现误差这是自然的，并不说明理论的错误，恰恰是符合逻辑的。爱因斯坦同样将太阳视为一个理想的质点，来计算水星的近日点运动，在前提有误的情况下，计算的结果却与观察事实相符，这恰恰是不合逻辑的。[3] 2、光线弯曲的天文观测具有主观认定倾向 大家知道，物理学在作出某个实验是否进行的确定之际，有一个基本的非科学本身的特点：“即将要进行的研究与实验”应该是可取的、有价值的，进而才有必要准备与开展，直至进行与完成。尤其是对重大科技理论的验证往往更是如此。例如，否定以太的那个著名的“迈克尔—莫雷”实验，就是在首先确认以太存在的前提下，进行的持续较长时间的多次实验验证活动，只是事与愿违地证明了相反的结论，以以太被否定而告终。 笔者个人认为：如果以太与地球的运动是一体化的，那么，那个著名的“迈克尔—莫雷”实验则恰好证明以太存在。以太为何必须是静止的呢？以太为何又不可以与地球磁场、星球的磁场、太空中的磁场是一体化的呢？ 对于广义相对论的天文现象的观测验证，首先也是在科学家的心理上事先接受或赞同了其正确的这个前提下进行的。因为，在成立观测实验小组时，第一次世界大战还未结束。同时，倡导者和参与观测实验者都是广义相对论的理解者、支持者，并在当时的学术界有较大威望或一定决定权。其中，尤其具有代表性的是当代最杰出的天体物理学家、英国剑桥天文台台长——爱丁顿博士。否则，绝对不可能成全那次既有从英国远行到非洲西部，又有跨越大西洋艰难历程之后到达巴西，才可实现在相距遥远的两地同时进行的重大天文观测活动（实验）。 为验证爱因斯坦关于光在引力中发生偏转的预言，“格林威治—剑桥”联合考察队观测了1919年5月29日的日食现象。爱丁顿是广义相对论的阐述者和积极倡导者，他参与的那组去的是西非的普林西比岛。 根据美国芝加哥大学宇宙和天体物理学系教授，S.钱德拉塞卡（S.Chandrasekhar）所著的，《莎士比亚、牛顿和贝多芬—不同的创造模式（Truth and Beauty — Aesthetics and Motivations in Science ）》一书中，摘录的爱丁顿后来自己曾在回忆中描写的内容：发生日食那天，那里的天气并不理想，正赶上阴雨和多云，几乎没有任何希望。将近全日食的时候，太阳开始发暗，我们完成了工作计划，但愿情况不会太糟糕。云层一定是在全日食结束前变薄了，因此尽管有许多照片报废，我们还是得到两张底片，上面有所期望的恒星图象。将这些照片与同样星域在太阳于别处时拍摄的照片作比较，两者之间的差别就表明，恒星由于光线经过太阳附近发生弯曲而造成表象位移。 我们当时面临的情况，存在三种可能性：或许根本不存在什么偏移，也就是光线不受引力的影响。或许存在“半偏移”，正如牛顿所言，光受重力的影响，遵从简单的牛顿定律。或许存在“全偏移”，从而证实了爱因斯坦定律而非牛顿定律。我记得戴逊将所有这些解释给我的同事柯丁罕听后，将主要思想总结为偏差越大越激动人心。柯丁罕问：“如果我们得到双倍偏移，那到底意味着什么？”，那么，戴逊回答说，“爱丁顿就会发疯，你只得孤身一人回去”。 事先就安排对底片进行测量，这到不全是因为急不可待，而是担心回家途中发生什么意外，所以我们立即检查了一张成功的底片。天文测量中得到的数值与理论预言的一样大，所以，一张底片几乎就可以决定问题的结果，尽管肯定还会通过其它的低片加以证实。日食三天之后，计算最终完成，我知道爱因斯坦理论经受住了考验，科学思想的新观点取得了胜利。柯丁罕用不着一人回家。[4] 当时，英国同时派出分两个小组对那次百年难遇的日食进行观测。一组科学家特意去巴西的索布拉尔，另一组科学家特意去西非的普林西比岛进行了考察。可见对观测实验的重视程度和防止风险（自然的、人为操作上的、乃至旅途上的）的有力措施是极其谨慎的。 去南美巴西那一组的观测结果一直拖了好几个月才整理出来，不过最终还是提供了最具决定性的证明。可是，让人生疑的是究竟什么原因使得观测结果拖了好几个月才整理出来呢？为何爱丁顿那组实验安排当时就对底片进行测量、分析、计算，并于日食三天后就据观测照相的底片计算出了结果呢？ 从道理上讲，去巴西那组也应该在事先做好同样的准备并实际操作，难道是他们当时冲不出底片还是别的原因？为何爱丁顿在回忆中不讲明哪个造成拖延几个月的偶然原因的具体情况呢？这两个表面看似独立的观测，就其结论的时间差别，存在先入为主并影响后者的极大可能性。而且，根据爱丁顿写的回忆：戴逊将所有这些解释给我的同事柯丁罕听后，将主要思想总结为偏差越大越激动人心。柯丁罕问：“如果我们得到双倍偏移，那到底意味着什么？”，那么，戴逊回答说“爱丁顿就会发疯，你只得孤身一人回去”[4]。可见爱丁顿对光线弯曲数据的不偏不倚的渴望，并以此间接证明广义相对论的正确性是多么地迫切，且没有任何选择或退让的余地，甚至毫不掩饰地表现得有些入痴入谜与急功近利的倾向。 光线弯曲肯定是不争的事实，牛顿也曾对此预言。然而，有理由值得让人怀疑的是，那次天文观测实验确认的光线弯曲值正好与广义相对论的计算一致。尽管三年后第三个独立的小组，里克天文台在1922年的观测中也得出同样的结果。可是，1932年1月在一次皇家天文学会议上，当佛伦里奇（Finlay Freundlich）报告说，他的日食观测结果给出的光线偏移值远远大于爱因斯坦预言时，科学权威爱丁顿显然出现了咄咄逼人的气势！并做了如下评论： “我想是《怪兽搜捕记》中的贝尔曼订下‘事说三遍即为真’的规矩。现在恒星已经过三支独立的考察队重复三次，所以我确信结果是对的。”[4] 退一步说，如果第四次观测是正确的话，那么前三次，特别是有科学权威爱丁顿参加的第一次肯定相对论正确的观测必将是失败的。因此，无论是从心理上还是从面子上，都是科学权威爱丁顿不能接受的，所以爱丁顿必然全力反击与全盘否定，甚至利用手中的权利而不给予其发言与争辩的机会。 谎言重复一万次也不是真理。今天，当我们冷静地分析这四分之三正确、四分之一不正确观测数据，尤其在量子力学崇尚统计原理正确性的广泛应用之际，可见，没有十次及以上的同样观测是不能完全充分地说明问题的。因此，既然有四分之一的不同观测结果和不同声音，自然应以更多次的观测验证为依据。 况且，一方面1919年距1929年哈勃发现宇宙膨胀特性还有十年时间。那么，爱丁顿及另两次独立的观测自然没有考虑到宇宙膨胀效应对恒星距离的直接影响，可见仅仅归于与引力场的原因是不全面的，进而有产生失误的极大 可能性。另一方面，导致光线弯折的原因还包括光的衍射效应——光线经过障碍物的边沿向障碍物背后弯折（日食观测到太阳边沿的其它恒星之光极具衍射条件）；光的折射效应——光线从太空进入大气层介质的折射，特别是在较小入射角时，以及特别是在大范围的阴云密布而增大局部大气层的密度之际（爱丁顿观测日食时的气候正是如此）的大气抖动效应所致。大气抖动是指大气湍流和激波所引起的星像位移效应。实验发现，大气层厚度越大，大气抖动所产生的星像位移也越大[5] 。 加之，相对论预言的弯曲值是牛顿预言值的一倍。因此，我们有充分的理由，可以把多余的那一半弯曲值，理解为并非是相对论预言的结果，而是上述四大其它原因导致的单一结果或复合式结果的可能性。 1920年8月24日，科学权威爱丁顿根据对太阳的长期观测和系统分析，作出了他一生中最壮观的预言——恒星能源的储存方式几乎可能是亚原子能量。同理，在1919年的日食观测时，他如果对宇宙是静止的观念有所怀疑的话，那么，只要把过去不同时期在同一星空背景的某张底片与那次日食观测的底片作一比较，并把星空中所有恒星的距离及变化进行全面或系统地计算和分析，那么，那次观测将有极大的可能是由他最先发现宇宙膨胀并对其进行了直接证明，进而比证明别人的预言更具有自己的丰功伟绩和历史意义。可是，那时的爱丁顿只是一心一意地、专注地坚信相对论太伟大了，证明相对论的正确也是一件伟大的行动，因此而没有其它的杂念。可见，无论何时何地，无论对谁而言，超前的意识具有直接指导人们的具体实践及其产生相应科技成果的普遍规律性。 爱丁顿是最先理解相对论的三个人之一。他亲自参与了证明相对论正确性的天文观测、计算、肯定工作的全过程，这是科技界众所周知的。可见，在此课题上，那时的科学权威爱丁顿既是比赛中的运动员，又是裁判员。尽管“球队”不是他私人的，显然毫无疑问的是他也必定自然而然地倾向于判定自己总是胜利者。 可见，在以对日食的天文观测并间接证明广义相对论正确性的整个活动中，爱丁顿具有极大的主观认定倾向。 3、夸大其词的舆论导向 爱因斯坦相对论理论的弱点在于表述上的巨大困难。无论是谁，如果对不变量理论和变量微积分学缺乏透彻的了解，就不可能理解新的引力理论，尽管正如汤姆逊提到的。可是，诺贝尔奖评审委员会的那些世界级的科学家们却不可能全都对“不变量理论和变量微积分学”缺乏透彻的了解。奇怪的是，相对论却不曾获得诺贝尔奖。这是一段耐人寻味的历史故事。 爱丁顿小组的观测和计算值，与爱因斯坦光线弯曲程度的预言吻合，但比用牛顿定律计算的称之为半偏移的弯曲程度恰好大一倍，进而称之为全偏移。在确认相对论正确之际，他们显然明确地知道，正如牛顿曾经预言光线因为受到重力的影响，应遵从简单的牛顿定律。可见，牛顿预言光线弯曲比爱因斯坦更早，而且计算方法更简单，只是在数量上少一半而已。如果当初牛顿一心想证明或宣传光线弯曲的预言并进一步地从公式上逼近的话，那么，爱丁顿小组的观测与计算，则可能是对牛顿定律的进一步地再次宏观证明，进而与相对论的正确与否无关。可是那次天文观测的结论，却被新闻界借以宣传吹嘘为是推翻牛顿定律的物理新发现。显然，以哗传哗，扰乱视听。值得深思的是，如此误导竟然长久不衰，甚至是在物理学体系内部。 4、 宇宙常数项 宇宙常数项一波三折。最具有喜剧般讽刺意味的事实，是科技界最终却证明宇宙常数项的引入是正确的。 如果爱丁顿小组于1919年5月29日对日食的观测数据小一倍，而正好是牛顿预言的数据的话，谁能肯定爱因斯坦又不会引入什么样的常数项来修正呢？可见，在对自然的探索上，在对公式与自然规律的协调上，爱因斯坦是犹豫的，是功利性的，甚至可以说有几分的随意性。因此，进一步地可以看出他明显地具有以数学公式的推导与逼近的技巧方式，来满足个人心理上感受到的客观规律并进行探索的个性。因此，当感觉与实际综合情况有一定偏移时，其理论的推导必然难免存在误差。 由于“时间就是天体在宇宙轨道空间的位置和运动过程。地球时间就是地球在轨道上所处的空间位置及运动过程本身”[6]。因此，当爱因斯坦在对时间的本质缺乏真正理解与正确应用时，特别是在对时间中的时刻就是研究对象在更大系统中的唯一空间坐标之自然特性未本质地认识与深刻理解之际，相对论必然走向歧途，进而遗留下那么多的佯谬。 5、结语
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