2010年7月11日的日食图像，从南太平洋的复活节岛观看。(致谢：威廉姆斯学院日食探险队 - Jay M. Pasachoff、Muzhou Lu 和 Craig Malamut) 8月21日，世界各地的观星者将汇聚美国，届时一场日全食将从俄勒冈州一路划过到南卡罗来纳州。而在怀俄明州的卡斯珀山，你将找到唐·布伦斯和他的望远镜。布伦斯是一名退休的物理学家，他正利用这个难得的机会检验阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，就像1919年首次检验该理论的亚瑟·爱丁顿爵士一样。当时，牛顿的万有引力定律仍然盛行，但爱因斯坦通过引入他的广义相对论颠覆了现状，将时间和三维空间的概念融入了一个称为时空的四维连续体。根据爱因斯坦的说法，引力不是一种力；相反，它是时空结构的扭曲。
第一次检验
就在他的理论诞生四年后，爱丁顿在1919年的日食期间对其进行了检验。爱因斯坦和牛顿的理论都表明，来自遥远天体的光在经过大质量物体（如太阳）的引力场时会发生扭曲或弯曲。爱因斯坦的理论表明，太阳会使恒星的光弯曲极小的1.75角秒——仅为0.000486度——而牛顿的引力则预测恒星的光会弯曲一半。要看谁是对的，只需比较恒星在夜间的视位置与其在白天的位置，此时其光线经过太阳的引力场。
日食是进行此类检验的完美时机。1919年1月，爱丁顿拍摄了 Hyades 星团中恒星的实际位置照片，因为这些恒星的光线经过太阳的引力场。但要完成实验的第二部分，需要白天拍摄同一组恒星的照片，但要在黑暗中。5月，他在一次日食期间拍摄了同一组恒星的照片，此时 Hyades 星团中的恒星仍然可见。通过将实际恒星位置的图像叠加在日食期间它们位置的图像上，爱丁顿可以测量由太阳引力引起的视位置偏移。当爱丁顿比较这两张图像时，清楚地看到了偏移。根据他的计算，爱丁顿得出结论，相对论比牛顿的理论更准确地预测了光的弯曲量。
爱丁顿1919年实验的照片底片之一。图像中用细线标出了星光的偏移。(致谢：维基共享资源) 就像激光干涉引力波天文台的科学家在2015年确认首次探测到引力波一样，爱丁顿的发现成为了头版新闻。他成名了。然而，经过进一步检查，许多科学家对结果并不满意。爱丁顿使用硝酸银感光板拍摄天空图像，但图像分辨率不够精确。此外，三张感光板中的一张得出的测量结果本应证实牛顿的引力理论，但由于“系统性错误”而被排除在实验之外。爱丁顿也是一位著名的和平主义者，一些科学家认为他的实验充满了确认偏误。第一次世界大战后，英国和德国科学家之间的关系至少可以说非常紧张。有人猜测，英国科学家爱丁顿为了治愈旧伤，在国际科学外交方面，支持德国人爱因斯坦而否定了同胞牛顿。即使史蒂芬·霍金也对爱丁顿的结果表示怀疑，正如他在《时间简史》中所写的那样。尽管如此，其他物理学家认为，如果今天看到爱丁顿的数据，许多物理学家会得出相同的结论。
另一个检验
因此，我们回到了公民科学家布伦斯，他将在某种意义上尝试为爱丁顿辩护，并证明他的发现是站得住脚的。但近100年后，布伦斯的尝试可能会被技术本身所干扰，实际上，技术太好了。现代摄影早已超越了底片，但在这个例子中，技术进步的步伐并不一定能带来更好的结果。为了获得更清晰的分辨率，数码相机的像素即使在微观层面也太大，无法捕捉到证明相对论的视位置偏移。爱丁顿的原始实验表明，太阳的星光使视位置偏移仅为1.75角秒。当光线落在两个像素之间的线上时，成像软件会将其推入相邻的像素。因此，如果恒星的质心落在直线上，照片将显示出比实际存在的更大或更小的变化。
布伦斯为日食当天准备的设备。(由唐·布伦斯提供) “这是我职业生涯中最具挑战性的实验，”他说。1973年，上一次在日全食期间进行相对论实验时，技术“被认为是古老的。我的意思是玻璃底片，没有电脑，那真是一个不同的时代。所以我想在2017年……这应该很简单，没问题。好吧，结果发现它仍然相当困难。”布伦斯声称他所做的事情“没有科学价值”；他说他只是为了好玩而检验相对论。还记得吗，2016年2月，科学家们宣布首次探测到引力波，证明了爱因斯坦一直以来都是正确的。然而，就像那些计算圆周率到越来越多位数数字的数字爱好者一样，科学本身有时也是一种奖励。亚历克斯·金（Alex King），奥斯汀·皮伊州立大学物理学和天文学系主任，不同意布伦斯的看法。金认为进行一项“老派”的实验确实有引人注目的科学理由。爱丁顿照片的分辨率缺陷足以让 APSU 寻求资金在今年夏天进行同一实验。但 APSU 的努力被金称为“基础科学资金”的政治化所阻碍——他们未能获得资金。幸运的是，布伦斯有经验可以在日食当天完成这项工作。1992年，布伦斯创立了一家名为 Stellar Products 的公司，生产标准的自适应光学系统。布伦斯于2014年离开 Stellar，但这段经历使他对可行的设备选择有了深刻的了解。当他选择了 Finger Lakes ML8051 相机时，制造商免费借给了他一台。然后，他会将相机安装在 TeleVue NP101 望远镜上，以优化焦比。不幸的是，只要它依赖像素成像，就会存在一定的误差。不过，在几次试运行后，布伦斯认为他已将误差范围缩小到大约1%。他说，其他尝试过该实验的公民科学家仅将误差范围缩小到10%。布伦斯选择的相机是单色的——它拍摄的是黑白照片。数码彩色摄影就像有点画法；它不是绘制实像，而是捕捉由微小点组成的图像。根据布伦斯说，当数码相机拍摄彩色照片时，每隔一个像素对光的响应都不同，这会影响准确性。“他们过去使用非常长，15到20英尺的望远镜，以非常小的焦比运行，”他说，指的是爱丁顿和爱因斯坦时代的其他科学家。“但现在我们有一个非常短的紧凑型望远镜。它只有大约2英尺长，但光学畸变现在是一个问题。”布伦斯说，更短的现代望远镜可以校正彗差和光学像差，但它们引起的畸变误差大于爱因斯坦偏转造成的误差。换句话说，无论如何，布伦斯都在做权衡。
纯粹为了好玩
在布伦斯的情况下，最大的权衡之一就是他的时间。在他接受《发现》杂志采访时，他已经花费了大约2000小时来解决畸变问题。这占了项目总时数的近4000小时，其余时间他都用于筛选星图以获取基础比较数据，编写软件以更好地处理他的数据，以及解决可能影响误差范围的实验的每一个其他部分。他甚至研究了如何尽量减少微风和大气湍流的影响，布伦斯说，这些会使星光扩散到三到四个像素。在食甚期间，布伦斯计划拍摄校准图像，这是古时候的科学家们没有决定的。如果你问他原因，他会告诉你关于埃尔温·芬利-弗洛伊德利希（Erwin Finlay-Freundlich）的故事，一位“有点沮丧的物理学家，他觉得在3到4次日食之后……没有人能完全正确地进行实验。”“你需要拍摄日食期间的恒星照片，但你也需要在日食期间拍摄校准图像，”布伦斯引用芬利-弗洛伊德利希的方法说道。“当然，很多人不愿意这样做，因为日食只有3到5分钟，而每次曝光需要一到两分钟，所以他们不想在食甚期间浪费时间拍摄校准图像。”在最长持续时间点，2017年日食将持续2分40.2秒。幸运的是，数码摄影可以在毫秒内完成所需的曝光。这意味着布伦斯可以用芬利-弗洛伊德利希的方式检验相对论。他说，他将成为历史上第一个从地面这样做的人。“纯粹为了好玩”确实如此。
