越来越伟大的爱因斯坦

小小怪 2022-06-1703:12:00名人评论6阅读模式

19世纪末,经典物理学的大厦已经建立起来。物理学家的使命似乎已经完成,很多人认为以后物理学家的任务就是把物理常数测量的更精确一些而已。然而在一片祥和的背后还有两朵无法解决的乌云让一些物理学家困惑,其中一朵是光在以太中的传播速度问题;另一朵是黑体辐射问题。

1905年,26岁的爱因斯坦发表《论动体的电动力学》,给出了狭义相对论,解决了光在以太中的传播速度问题,同时也刷新了人类对时间及空间的认识。在他同一年发表的另一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》中提出了光量子的概念,促成了量子力学的建立。1915年爱因斯坦又给出了广义相对论,将引力几何化。爱因斯坦取得了如此辉煌的成就,使他成为上个世纪最伟大的科学家,也是有史以来最伟大的科学家之一。除了牛顿,无人能出其右。

然而这位家喻户晓的伟大科学家并不是发表相对论后就伟大了,在狭义相对论发表之前虽然有洛伦兹、庞加莱等德高望重的科学家曾到过狭义相对论的大门口,但他们仍然无法走出传统时空观的束缚。1911年第一届索尔维物理会议期间,庞加莱对狭义相对论采取了完全否定的态度。

爱因斯坦的一夜成名是在1919年。一次日全食的发生造就了检验广义相对论的大好机会,戴森和爱丁顿率领的两支探测队分别到了巴西北部和非洲几内亚湾的普林西普岛,并拍到了为数不多的珍贵观测照片。之后经过几个月的认真分析,11月6日英国皇家天文学会专门召开会议宣布了观测结果:确定光经太阳时呈现出1.64秒等值的偏离弧度,与爱因斯坦广义相对论预言的1.75秒等值非常接近,与牛顿万有引力理论的计算差别甚大。广义相对论第一次得到实验验证,世界为之轰动,爱因斯坦的伟大之路就此打开。英国皇家学会会长汤姆森爵士就此称赞爱因斯坦的理论是人类思想史上最伟大的一项成就,因为爱因斯坦发现的不是一个小岛,而是新科学思想的整个大陆。在之后的几天里,爱因斯坦的名字及其发现出现在欧洲众多报刊上,无不盛赞爱因斯坦是有史以来最伟大的科学家之一。

除了狭义相对论和广义相对论,爱因斯坦的重要研究成果还有质能方程、受激辐射等,这些理论都早已被实验检验过很多遍,并且产生的技术应用极大地推动了人类文明的进步。

爱因斯坦的伟大进程并未停止。2016年2月11日,LIGO宣布发现了引力波,这是爱因斯坦广义相对论中的一块重要拼图。由于每年的诺贝尔奖提名日截止到1月31日,很多人已经猜到LIGO已经预定好2017年的诺贝尔物理学奖。果不其然,为发现引力波作出杰出贡献的三位科学家韦斯、巴里什、索恩分享了2017年的诺贝尔物理学奖。在宣布他们获奖时诺贝尔奖组委会称引力波的发现又一次证明了爱因斯坦的伟大。那时距离广义相对论发表已经超过100年。岁月没有将爱因斯坦的光辉冲淡,反而为他的伟大再次添上光彩闪亮的一笔。

2019年4月10日,事件视界望远镜组织发布了人类首张黑洞照片。黑洞是爱因斯坦广义相对论预言下的产物,人类有了黑洞的直接视觉证据后三位研究黑洞的科学家分享了2020年的诺贝尔物理学奖。三位科学家分别是和霍金共事的彭罗斯,发现银河系中心超大质量黑洞的根策尔和盖兹。黑洞照片的问世再一次证明了广义相对论的正确,爱因斯坦进一步巩固了他的伟大。2022年5月12日,银河系中心超大质量黑洞的照片问世,事件视界望远镜组织的科学家惊叹黑洞周围亮环的大小和爱因斯坦广义相对论预测的结果出奇地一致。

爱因斯坦是因解释了光电效应及其他物理学方面的工作获得了1921年的诺贝尔物理学奖,他的最重要理论贡献狭义相对论和广义相对论并没有明确出现在授奖理由中,这是诺贝尔奖史上的有名尴尬。不过与广义相对论直接相关的研究已经拿下多个诺贝尔奖,除了2017年的引力波和2020年的黑洞,还有1974年的脉冲星;1983年的恒星结构演化理论;1993年的双中子星脉冲星系统间接证实了引力波的存在;2011年的宇宙加速膨胀。另外,与粒子物理学相关的研究已经拿下二三十个诺贝尔奖,其中的很多研究与狭义相对论、质能方程紧密相关。相对论毫无疑问地是现代物理学的两大基础之一,可能已经数不清有多少个与之相关的研究被授予诺贝尔奖,很多人也记不清相关诺贝尔奖得主的名字,但人们一定能会更加深刻地记住爱因斯坦的名字。

以后会不会还有重大发现再次表明爱因斯坦的伟大?也许真的有。比如爱因斯坦在广义相对论场方程中引入的宇宙学常数,那是爱因斯坦为了让宇宙处于静态而引入的。哈勃发现宇宙膨胀后爱因斯坦称宇宙学常数是他一生中最大的错误。而现在看,宇宙学常数可能与未知的暗物质、暗能量有关,爱因斯坦并不一定真的错了。还有,奇妙的爱因斯坦-罗森桥如果能够得到证实,人类又会开启一片新的大陆。

理论就是如此,基础科学就是如此。再过一百年,再过一千年,爱因斯坦的名字依然会在科学殿堂中闪烁着熠熠光辉。

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