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日志

爱因斯坦对了吗?

已有 380 次阅读2021-1-16 16:54 |个人分类:时事转帖|系统分类:转帖-时事政治经济

邵立晶(北京大学,天文与天体物理研究所研究员)
 “我们全都获益不浅,全世界都感谢他的教诲,专属于他个人的东西,早已传遍广大人群,他将像行将陨灭的彗星,光华四射,同他的光芒永相结合。”

  爱因斯坦究竟对了吗?

  如果想问爱因斯坦对了吗,首先就得知道爱因斯坦何许人也

  大家想必都听说过,他是一位非常伟大的物理学家。但是大家可能并不知道,他曾经被评为“世纪第一人”

  这是2000年时代杂志举办的一个评选,想选出上一个世纪,即整整100年里对人类做出了最大贡献、对人类影响最深远的一个人。

  当然上个世纪有很多事情、很多人,比如发生过两次世界大战,也涌现出很多人物。

  经过评选,我们一致认为,爱因斯坦可以成为当之无愧的世纪第一人。

  他被评为了Person of the Century,即所谓的世纪第一人。

  爱因斯坦的奇迹年

  他究竟做了什么事情呢?这就得从1905年说起。

  那时的爱因斯坦其实不太得意,他的工作也没找好,在一个专利局里当小职员。平时有点小爱好,喜欢推物理公式,工作之余算一算东西。

  1905年,他破天荒地发表了几篇文章,人们后来发现这几个工作非常经典,对我们非常重要。

  其中有三个比较重要的工作,第一个是布朗运动

  他看着水里的一些花粉漂来漂去,由此推出水是由分子组成的,物质是由分子、原子组成的。

  这是一个伟大的结论,一个对世界更深一层的认识。

  第二个工作叫做光电效应,就是研究光的。

  光照来照去,那么它到底是波还是粒子呢?

  于是爱因斯坦就提出,光可以是粒子,也就是所谓的光量子。这个相对于当时的其他物理学家们,提前了很多年,并且有很清晰的量子物理图像

  第三个非常重要的成果,叫做狭义相对论

  这三个成果之中,第二个成果让爱因斯坦拿到了一个“小奖”,叫做诺贝尔物理学奖

  可是在这三个工作中,被大家认为最重要的,是狭义相对论

  狭义相对论究竟是一个什么样的理论?这就要从当时的历史情景讲起。

  当时物理学界有一个权威人物叫牛顿,爱因斯坦可能是去听了一场报告,叫做“牛顿对了吗”。

  当时牛顿有很多理论非常重要,但它们背后有一个非常深刻的假设,就是他的时空观。

  时空是什么?

  时:时间,连绵不绝。空:空间,无限扩展。

  牛顿认为时间和空间是绝对的,而且是互不相干的,这跟我们所认为的时空非常类似,我们就生活在这样的一个时空里面,我们在时空里运动。

  可是爱因斯坦认为当时的一个测光速的实验,就是一束光照向你,你朝着光束跑,和你跟着光束在同一个方向一起跑、逆着跑,测到的光速是一样的,总是测不出来差别。

  如果是牛顿的时空观,朝着光速跑的时候,应该测到更大的光速,跟光速一起跑的时候,测到的光速会小一点。

  可是不是实验告诉我们,它们是一样的?

  正是基于这一点,爱因斯坦非常敏锐地意识到,光速是不变的,光速就是一个常数。

  爱因斯坦提出这一点后,对牛顿的时空观产生了一个非常大的挑战,从而他提出了狭义相对论。

  狭义相对论被爱因斯坦提出来后,它对了吗?

  在物理学中,对与不对不是由权威说了算的。

  物理学是一门实验科学,需要通过做实验,去研究它对还是不对,跟实验相符的就有可能对,跟实验不相符的肯定是错的。

  举一个简单的例子,爱因斯坦的狭义相对论里有一个著名的推论,叫做质量能量转化关系,就是质量可以转化为能量。它的质量大的话,可能能量也大。

  但这个东西到底对不对,是需要经过实验检验的。

  实验检验有很多种,比如核弹的爆炸,其实就是利用了能量质量转化关系。

  还有核能发电厂,也是利用了能量质量关系。这些关系现在都已经可以检验到,精度非常高。

  所以狭义相对论相对于牛顿的绝对时空观来说,是一门更加先进的、正确的理论,它也在物理学界得到了非常好的评价。

  德布罗意先生就评价狭义相对论像光彩夺目的火箭,在黑暗的夜空中,突然划出一道短促而又十分强烈的光辉,照亮了广阔的未知领域。

  可是,爱因斯坦得到狭义相对论后并不满足,他又在想,狭义相对论挺好,可是是不是还有什么问题?

  比如他发现他的狭义相对论跟牛顿的引力理论在数学上是不相符的,这是需要解释的。不相符,可能有一个错了,或者两个都是错的。

  大家知道,牛顿的引力理论是非常深入人心的。比如苹果从树上往地上落,月亮绕着地球转,天与地的事情都归它管,它是一个管天和地的理论。

  如果说它是错的,就需要有更加强的证据来说明这件事情。

  爱因斯坦发现,狭义相对论与牛顿引力不相符,他想要解释这个矛盾,这件事情并不被十分看好。

  当时有一个叫普朗克的人,他相当于一个前辈。

  他碰到爱因斯坦时说:哎呀,爱因斯坦,你做的狭义相对论太好了,非常好,我每天可能都要用一用。可是现在一切都解释明白了,你为什么还在忙于另一个问题呢?

  十年磨一剑之广义相对论

  另一个问题就是引力问题,爱因斯坦并没有因此感到沮丧,而是接着做这方面的研究,整整做了10年,从1905年做到1915年。

  他终于把这个矛盾解决了,提出了一套广义相对论的引力理论。这套理论非常厉害,它把时空和物质非常完整地结合起来。

  他认为有时空就应该有物质,有物质才会有时空。这是一套非常颠覆人类对时间和空间认识的理论。

  对这套理论比较好的总结是:时空告诉物质怎么去运动。

  在这张图中大家可以看到,因为这个小球是物质,它在动,导致时空弯曲,另外,时空告诉物质怎么去运动。这是一套关于时空与物质相互作用的引力理论。

  给大家解释一个上世纪最深刻的思想,没有之一 ,叫做等效原理

  爱因斯坦是第一个把这个东西看得非常高的人,这个问题是这样的,爱因斯坦站在秤上想称称体重 ,他看到有一个体重数。

  扔一个球,球会往下掉,因为有引力,放到火星上可能轻一点,但是也有引力。

  有一个好事之徒做了一件事,他把爱因斯坦、秤和球同时往下扔。

  爱因斯坦还是站在秤上,球还是在往下掉,但是爱因斯坦看这个球没有往下掉,因为他在和球一起往下掉,而且他看体重器没有体重,因为秤在和他一起往下掉。

  这时,爱因斯坦、秤和球处于一个叫做惯性系的参考系。

  相反,爱因斯坦站在地上称体重,是非惯性系,那么引力与非惯性系就被等价起来了。

  这在数学上可以证明,就意味着时空是弯曲的。

  当然 ,爱因斯坦后来想明白了这件事情,在他写传记时,把这件事情称为他一辈子中最美的时光,The happiest moment。

  大家可以想一想,为什么这件事情如此震撼了爱因斯坦?

  爱因斯坦在76岁过生日时,有人可能忘了准备礼物,就随手给爱因斯坦弄了一个东西。

  可能是一个一次性纸杯,下面做一个回形针,然后拴一根有弹性的绳子,挂两个有重量的球。

  这个东西很简单,反正放在桌子上,就像左边图的样子,但是这个时候它不是最自然的状态,绳子被拉伸了,它最自然的状态应该是往回缩,怎么往回缩呢?

  把它往下一放,在这个下落的过程中,你可以看到,这根绳子很快就把球缩回去了,它又处于一个最自然的状态。

  也就是说它受引力时,在一个非惯性系里,做自由落体时,在一个惯性系里。

  这是一个非常深刻的思想,爱因斯坦当时也对这个礼物非常满意。

  这个东西在科幻作品中也有体现,比如太空漫游,有人在舱板上跑步,可是这时不是应该失重吗?怎么能在舱板上跑步呢?

  很简单,有一个环形的太空船把它转起来,转起来后就会有一个叫做离心力的力,它就是一个非惯性系,是所谓的人造引力,有了引力就可以跑步了。

  杨振宁先生说过一句话:二十世纪物理学有三个大的贡献,其中两个半是爱因斯坦的。两个指的是狭义相对论和广义相对论,半个指的是光电效应

  科学具有可证伪性

  当然,有很多艺术学家也对时空弯曲有自己的解释,他们做出了非常漂亮的艺术作品。

  可是,爱因斯坦的广义相对论不是一门非常简单的理论,刚才只是给大家讲了一个最核心的思想。这件事情可以从一位记者问爱丁顿爵士的问题中体现出来。

  爱丁顿爵士是世界上第一个测量光线偏折的科学家。当时有一个记者问他:爱丁顿爵士,听说这个世界上只有三个人懂爱因斯坦的广义相对论。

  爱丁顿一愣,除了我和爱因斯坦,谁是第三个呢?

  从这件事中可以看到,广义相对论是非常难的。

  还有一个很有意思的问题,就是费曼的故事。

  费曼是美国著名的物理学家,也拿过诺贝尔物理学奖。

  有一次,他去开一个相对论的会,到了会场,下了飞机以后忘记了地址。

  他就找到一个出租车司机问:你有没有看到这样一群人,他们脑袋抬得高高的,对周围的事和人都不关心,嘴巴里总是说着gee-mu-nu,gee-mu-nu,。。。?

  那个司机一听,马上把他送到了正确的地方。

  gee-mu-nu是什么呢?

  就是广义相对论中描述时空特征的量,这是一个非常有意思的团体。

  科学具有可证伪性,爱因斯坦这回又对了吗?

  比如在太阳系中,我们可以通过各种实验去检验爱因斯坦的各种理论。在太阳系中,引力非常弱,爱因斯坦的引力理论与牛顿引力理论相差只在百万分之一。

  但我们的探测精度非常高,能够达到比这个精度更高的量级,所以能够去检验微小的偏离。在这个微小的偏离上,爱因斯坦的广义相对论完胜牛顿引力。

  还有大家经常用的GPS全球定位系统,里面就有相对论效应。

  如果不考虑狭义相对论效应,那么一天便会有两公里的偏差,如果不考虑广义相对论效应,一天就会有14公里的偏差。

  那么爱因斯坦就对了吗?这么高的精度的检验就对了吗?他是不是什么地方都对了?

  不一定。

  我们又把眼睛望向了遥远的星空,我们要做更加极端一点的事情,比如我们要考察一个叫做中子星的东西。

  中子星的质量比太阳要大一点,它的大小有海淀区这么大,非常小,所以它的密度非常高。

  拿勺子装一勺中子星的物质,这个物质的重量就比全球人的重量加起来还要多,是非常致密的一类物体,引力场也非常强,所以是一个检验引力的非常好的地方。

  比如它在空中会像灯塔一样转,会被我们观测到,每转一圈都会被观测到,这是一个非常可靠的稳定转动的钟。

  我们的探测需要用专业级的大型望远镜去看。

  这是建在中国贵州的中国天眼FAST望远镜,可以看到脉冲星,这是它的一个非常重要的科学研究目标。

  脉冲星是一堆钟在时空中分布,这堆钟又可以通过这些大型的射电望远镜联系起来,形成所谓的脉冲星测时阵列,这样的阵列可以探测引力波。

  爱因斯坦在1916年自己算出了引力波,过了几年他又反悔了,说没有引力波,他算错了。

  爱因斯坦问,爱因斯坦对了吗?

  过了几年,他又发现算对了。又问,爱因斯坦对了吗?

  这是一种非常好的习惯,不仅是对权威有质疑,对自身也有质疑,这种习惯在科学中是非常重要的素质。

  我们现在其实已经测到引力波了,我们在2015年9月14号测到了引力波,那时我也加入了他们的合作组,当时非常激动 ,我们用了非常长的时间去做这件事情。

  这是测到引力波的望远镜这是在美国的有两根臂长分别是4公里的引力波探测器。

  这是人类所看到的第一例引力波事例,它非常微小需要非常精确的探测技术才能测到它。

  其实我们第一例测到的引力波探测的事例是来自于黑洞的,黑洞是另外一个非常神奇的爱因斯坦的广义相对论预言的天体,它是时空非常扭曲的一种状态。

  去年,事件视界望远镜拍到了黑洞的第一张照片,也是对爱因斯坦广义相对论的一次直接的检验。

  我也是事件视界望远镜合作组的成员,非常有幸,我们在很高的精度上,不仅测到了双黑洞并合的事例,也测到了双中子星并合的状态。

  这个并合状态过程对我们非常重要,因为它生成的一些元素,是地球和太阳系所不可或缺的元素。

  爱因斯坦在1955年逝世了,当时他的遗嘱执行者念了一首诗来缅怀他。

  他说:我们全都获益不浅,全世界都感谢他的教诲,专属于他个人的东西,早已传遍广大人群,他将像行将陨灭的彗星,光华四射,同他的光芒永相结合。

  思想晚餐  

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  留住孩子的好奇心

  爱因斯坦就是这样一位世纪伟人。但是爱因斯坦如何评价他自己呢?

  他很谦虚地说:我没有特殊的才赋,我只是非常好奇罢了。

  他敢于挑战权威,有一颗充满好奇的心,这是我们现在,非常稀缺的一种品质。

  那爱因斯坦对了吗?

  爱因斯坦的理论到现在为止,在我们的检验上没有出现偏差或偏离,在现在的实验精度上,爱因斯坦是对的。

  但我们的技术也在发展,可能什么时候他也会错,就像牛顿的万有引力一样,它在很小的范围内偏离爱因斯坦的理论,最后被爱因斯坦的理论所取代。

  在理论上来说,爱因斯坦的广义相对论还存在一些问题。

  比如它不能解释的黑洞奇点问题,以及它不能融入量子时空的问题,还有暗物质、暗能量,现在我们还不知道是什么。

  所以我们这个时代也需要能够挑战权威、能够提出问题的人。提问是非常重要的,就像我们做研究的人,经常看到的一幅图。

  这个白色的圈,表示人类的知识,我们做研究,是专门钻一个很小的点,使劲钻,最后能做出什么呢?

  可能钻了一个非常小的点,但是这个点是人类全新的知识,它将永远被流传下去。

  在这个过程中,好奇心非常重要,它驱使你能够做这件事情,这件非常不好做的事情,它是不容易做的事情的原初动力。

  所以大家一定要好好地留住孩子们的好奇心。


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