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愛因斯坦是誰(shuí)？ 這是一個(gè)簡(jiǎn)單又復(fù)雜的問題 他是專利局的小職員 是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主 是狹義相對(duì)論的提出者 是廣義相對(duì)論的奠基人 還是量子物理的開拓者
他的學(xué)說不斷被質(zhì)疑 卻總是一次次證實(shí)為真 那些驚心動(dòng)魄的理論 究竟是什么面貌？ 北大科維理天文與天體物理研究所 研究員邵立晶 以簡(jiǎn)明有趣的介紹 帶我們走進(jìn)天才的世界 ↓點(diǎn)擊視頻，探究愛因斯坦到底對(duì)了嗎？   毫無疑問，一位天才物理學(xué)家。 不過，在這之前，他只是專利局的一個(gè)小職員，日常愛好就是在下班之后推演物理公式。 而到了公元2000年，他的照片出現(xiàn)在《時(shí)代》雜志的封面時(shí)，頭銜是“世紀(jì)第一人”（PERSON OF THE CENTURY）——在過去一百年里對(duì)人類做出了最大貢獻(xiàn)、對(duì)人類影響最深遠(yuǎn)的一個(gè)人。
一切要從1905年說起。 這一年，小職員愛因斯坦發(fā)了幾篇文章，人們后來發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)工作非常經(jīng)典，對(duì)我們非常重要，它們分別是：布朗運(yùn)動(dòng)、光電效應(yīng)和狹義相對(duì)論。 先說說布朗運(yùn)動(dòng)。在平凡的一天，愛因斯坦看著水里的一些花粉漂來漂去，靈光一現(xiàn)，想到水是由分子組成的，物質(zhì)是由分子、原子組成的——我們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)，由此深入到了更細(xì)微的一層。
再說說光電效應(yīng)。愛因斯坦試圖解答一個(gè)問題：光究竟是波還是粒子？他認(rèn)為，光可以是粒子，也就是所謂的光量子。這一發(fā)現(xiàn)，將相關(guān)研究向前推進(jìn)了許多年。而愛因斯坦甚至還能制作出很清晰的量子物理圖像。 光電效應(yīng)給愛因斯坦帶來了一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 被大家認(rèn)為最重要的是第三個(gè)——狹義相對(duì)論。它像“光彩奪目的火箭，在黑暗的夜空突然劃出一道短促的但又十分強(qiáng)烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域”。這是德布羅意對(duì)狹義相對(duì)論的評(píng)價(jià)。
德布羅意 最耀眼的明珠 牛頓對(duì)了嗎？ 關(guān)于狹義相對(duì)論，還不能馬上從愛因斯坦說起，得回到另一位我們熟知的天才——牛頓身上。 當(dāng)時(shí)牛頓有很多理論非常重要，但它們背后有一個(gè)非常深刻的假設(shè)，就是他的時(shí)空觀。牛頓認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的，而且是互不相干的，據(jù)此，朝著光跑的時(shí)候，應(yīng)該測(cè)到更大的光速，跟光一起跑的時(shí)候，測(cè)到的光速會(huì)小一點(diǎn)。 可是，實(shí)驗(yàn)告訴我們，兩次測(cè)出的光速是一致的。 正是基于這一點(diǎn)，愛因斯坦非常敏銳地意識(shí)到，光速是不變的，光速就是一個(gè)常數(shù)，進(jìn)一步地，他提出了狹義相對(duì)論。
狹義相對(duì)論又對(duì)了嗎？  這不由牛頓說了算，當(dāng)然，也不由愛因斯坦。 因?yàn)槲锢韺W(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，一切理論需要通過做實(shí)驗(yàn)證偽或證實(shí)。 在狹義相對(duì)論里，有一個(gè)著名的推論，叫做質(zhì)量能量轉(zhuǎn)化關(guān)系。核彈爆炸和核能發(fā)電都利用了這一關(guān)系，現(xiàn)在都已經(jīng)可以檢驗(yàn)到，且精度非常高。 那么，我們就可以說，狹義相對(duì)論相對(duì)于牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀來說，是一門更加先進(jìn)的、正確的理論。
狹義相對(duì)論就沒問題嗎？ 這個(gè)問題，愛因斯坦自己也在想。他發(fā)現(xiàn)，他的狹義相對(duì)論跟牛頓的引力理論在數(shù)學(xué)上是不相符的。所以他又有了新的任務(wù)：解決引力問題。 十年之后，廣義相對(duì)論橫空出世。
愛因斯坦的“最美時(shí)光” 廣義相對(duì)論是什么？ 這是一套關(guān)于引力的理論，它的厲害之處在于把時(shí)空和物質(zhì)非常完整地結(jié)合在一起。愛因斯坦認(rèn)為，有時(shí)空就應(yīng)該有物質(zhì)，有物質(zhì)才會(huì)有時(shí)空。 對(duì)這套理論比較好的總結(jié)是：時(shí)空告訴物質(zhì)怎么去運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)告訴時(shí)空怎么去彎曲。
如何從另一個(gè)角度理解引力？ 20世紀(jì)有一個(gè)相當(dāng)深刻的思想，叫做等效原理。愛因斯坦借此把引力與非慣性系就等價(jià)起來了。這在數(shù)學(xué)上可以證明，就意味著時(shí)空是彎曲的。
愛因斯坦后來想明白了這件事情，在他寫傳記時(shí)，把這件事情稱為他一輩子中最美的時(shí)光——The happiest moment。 想太空漫游怎么實(shí)現(xiàn)？ 了解廣義相對(duì)論，一些科幻作品當(dāng)中的“bug”就得到了合理的解釋。比如電影《太空漫游》，有人在艙板上跑步，可是這時(shí)不是應(yīng)該失重嗎？怎么能在艙板上跑步呢？ 其實(shí)很簡(jiǎn)單，有一個(gè)環(huán)形的太空船把它轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)起來后就會(huì)有一個(gè)叫做離心力的力，它就是一個(gè)非慣性系，是所謂的人造引力，有了引力就可以跑步了。
暫時(shí)的勝利 關(guān)于廣義相對(duì)論，愛因斯坦這回對(duì)了嗎？ 科學(xué)具有可證偽性。 在太陽(yáng)系中，我們可以通過各種實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)愛因斯坦的各種理論。在太陽(yáng)系里，引力非常弱，愛因斯坦的引力理論與牛頓引力理論相差只在百萬分之一。 但我們的探測(cè)精度非常高，能夠達(dá)到比這個(gè)精度更高的量級(jí)，所以能夠去檢驗(yàn)微小的偏離。在這個(gè)微小的偏離上，愛因斯坦的廣義相對(duì)論完勝牛頓引力。
他是不是什么地方都對(duì)了？ 只在太陽(yáng)系里做檢驗(yàn)，仍不具備說服力；更何況，人類的雄心也不止于此。 我們將目光投向一個(gè)叫做中子星的東西。它是一個(gè)質(zhì)量比太陽(yáng)還大一點(diǎn)，體積卻只有海淀區(qū)這么小的一類物體，非常致密，引力場(chǎng)也非常強(qiáng)。 在夜空中，中子星就像燈塔一樣旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一圈都會(huì)被觀測(cè)到，這是一個(gè)非常可靠的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的鐘。
我們要探測(cè)什么？ 一堆中子星這樣的鐘在時(shí)空中分布。我們?cè)诘厍蛏辖ㄔ炝藢I(yè)級(jí)的大型射電望遠(yuǎn)鏡，這堆鐘就又可以通過望遠(yuǎn)鏡聯(lián)系起來，形成所謂的脈沖星測(cè)時(shí)陣列，這樣的陣列可以探測(cè)引力波。 建在中國(guó)貴州的“天眼”，其中很重要的一個(gè)科學(xué)目標(biāo)就是測(cè)引力波。
引力波真的存在嗎？ 在我們探測(cè)到引力波之前，愛因斯坦自己在1916年已經(jīng)算出了引力波。過了幾年他又反悔了，說沒有引力波，他算錯(cuò)了。 于是，愛因斯坦問，愛因斯坦對(duì)了嗎？ 再過幾年，他又發(fā)現(xiàn)算對(duì)了。又問：愛因斯坦對(duì)了嗎？ 就這樣反復(fù)“橫跳”，不斷質(zhì)疑權(quán)威，也不斷質(zhì)疑自己。但過去始終未能探測(cè)到引力波。直到2015年9月14日，我們成功測(cè)到了引力波，證實(shí)了愛因斯坦的理論版圖。
美國(guó)兩根臂長(zhǎng)分別為4公里的引力波探測(cè)器
人類所看到的第一例引力波事例 廣義相對(duì)論的直接“檢驗(yàn)者”是誰(shuí)？ 其實(shí)我們第一例測(cè)到的引力波事例來自于黑洞。黑洞也是愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言的天體，它非常神奇，是時(shí)空非常扭曲的一種狀態(tài)。 2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡拍到了黑洞的第一張照片，也是對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的一次直接的檢驗(yàn)。
永遠(yuǎn)在路上 世界上只有三個(gè)人能懂？ 愛因斯坦的廣義相對(duì)論并不是一門隨便說說就可以理解的理論，相反，它的深刻程度常常讓人心驚而折服。 愛丁頓爵士是世界上第一個(gè)測(cè)量光線偏折的科學(xué)家。當(dāng)時(shí)有一個(gè)記者采訪時(shí)談到：“聽說這個(gè)世界上只有三個(gè)人懂愛因斯坦的廣義相對(duì)論。” 愛丁頓一愣：“除了我和愛因斯坦，誰(shuí)是第三個(gè)呢？”
愛丁頓爵士 費(fèi)曼和愛因斯坦也有故事？ 費(fèi)曼是美國(guó)著名的物理學(xué)家，也拿過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 有一次，他去參加一個(gè)相對(duì)論的研討會(huì)，下了飛機(jī)以后忘記了地址。 費(fèi)曼想了想，直接詢問出租車司機(jī)：“你有沒有看到這樣一群人，他們腦袋抬得高高的，對(duì)周圍的事和人都不關(guān)心，嘴巴里總是說著gee-mu-nu, gee-mu-nu, ...？” 司機(jī)一聽，馬上把他送到了正確的地方。 gee-mu-nu，就是廣義相對(duì)論中描述時(shí)空特征的量。
費(fèi)曼 究竟有沒有人可以挑戰(zhàn)廣義相對(duì)論？ 愛因斯坦的理論到目前為止，在我們的檢驗(yàn)上沒有出現(xiàn)偏差或偏離?？梢哉f在現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)精度上，愛因斯坦是對(duì)的。 但從理論上看，還存在一些問題。比如它不能解釋的黑洞奇點(diǎn)問題，以及它不能融入量子時(shí)空的問題；還有暗物質(zhì)、暗能量，現(xiàn)在我們還不知道是什么。
愛因斯坦于1955年逝世，當(dāng)時(shí)他的遺囑執(zhí)行者念了一首詩(shī)來緬懷他： 我們?nèi)极@益不淺，全世界都感謝他的教誨，專屬于他個(gè)人的東西，早已傳遍廣大人群，他將像行將隕滅的彗星，光華四射，同他的光芒永相結(jié)合。 曾經(jīng)的愛因斯坦，在極為細(xì)微的偏差里超越了牛頓，而他的爍光，始終照耀著人類，是群星中閃亮的一顆。 未來，我們又會(huì)迎來怎樣的天才呢？
來源：北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所、格致論道 |
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