爱因斯坦对了吗?北大学者带你探究

小小怪 2022-06-1703:06:05名人评论14阅读模式

原创 北京大学 北京大学 收录于合集 爱科普的小北 4个

爱因斯坦是谁?

这是一个简单又复杂的问题

他是专利局的小职员

是诺贝尔物理学奖得主

是狭义相对论的提出者

是广义相对论的奠基人

还是量子物理的开拓者

他的学说不断被质疑

却总是一次次证实为真

那些惊心动魄的理论

究竟是什么面貌?

北大科维理天文与天体物理研究所

研究员邵立晶

以简明有趣的介绍

带我们走进天才的世界

↓点击视频,探究爱因斯坦到底对了吗?

01

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一九零五奇迹之年

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爱因斯坦是谁?

毫无疑问,一位天才物理学家。

不过,在这之前,他只是专利局的一个小职员,日常爱好就是在下班之后推演物理公式。

而到了公元2000年,他的照片出现在《时代》杂志的封面时,头衔是世纪第一人(PERSON OF THE CENTURY)——在过去一百年里对人类做出了最大贡献、对人类影响最深远的一个人。

他究竟做了什么,对整个人类有如此影响?

毫无疑问,一位天才物理学家。

不过,在这之前,他只是专利局的一个小职员,日常爱好就是在下班之后推演物理公式。

而到了公元2000年,他的照片出现在《时代》杂志的封面时,头衔是世纪第一人(PERSON OF THE CENTURY)——在过去一百年里对人类做出了最大贡献、对人类影响最深远的一个人。

一切要从1905年说起。

这一年,小职员爱因斯坦发了几篇文章,人们后来发现这几个工作非常经典,对我们非常重要,它们分别是:布朗运动、光电效应和狭义相对论。

这都是些什么工作?

毫无疑问,一位天才物理学家。

不过,在这之前,他只是专利局的一个小职员,日常爱好就是在下班之后推演物理公式。

而到了公元2000年,他的照片出现在《时代》杂志的封面时,头衔是世纪第一人(PERSON OF THE CENTURY)——在过去一百年里对人类做出了最大贡献、对人类影响最深远的一个人。

先说说布朗运动。在平凡的一天,爱因斯坦看着水里的一些花粉漂来漂去,灵光一现,想到水是由分子组成的,物质是由分子、原子组成的——我们对世界的认识,由此深入到了更细微的一层。

再说说光电效应。爱因斯坦试图解答一个问题:光究竟是波还是粒子?他认为,光可以是粒子,也就是所谓的光量子。这一发现,将相关研究向前推进了许多年。而爱因斯坦甚至还能制作出很清晰的量子物理图像。

光电效应给爱因斯坦带来了一个奖项,诺贝尔物理学奖。

被大家认为最重要的是第三个——狭义相对论。它像光彩夺目的火箭,在黑暗的夜空突然划出一道短促的但又十分强烈的光辉,照亮了广阔的未知领域。这是德布罗意对狭义相对论的评价。

德布罗意

02

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最耀眼的明珠

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牛顿对了吗?

关于狭义相对论,还不能马上从爱因斯坦说起,得回到另一位我们熟知的天才——牛顿身上。

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。牛顿认为时间和空间是绝对的,而且是互不相干的,据此,朝着光跑的时候,应该测到更大的光速,跟光一起跑的时候,测到的光速会小一点。

可是,实验告诉我们,两次测出的光速是一致的。

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,进一步地,他提出了狭义相对论。

狭义相对论又对了吗?

这不由牛顿说了算,当然,也不由爱因斯坦。

因为物理学是一门实验科学,一切理论需要通过做实验证伪或证实。

在狭义相对论里,有一个著名的推论,叫做质量能量转化关系。核弹爆炸和核能发电都利用了这一关系,现在都已经可以检验到,且精度非常高。

那么,我们就可以说,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。

狭义相对论就没问题吗?

这个问题,爱因斯坦自己也在想。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。所以他又有了新的任务:解决引力问题。

十年之后,广义相对论横空出世。

03

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爱因斯坦的最美时光

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广义相对论是什么?

这是一套关于引力的理论,它的厉害之处在于把时空和物质非常完整地结合在一起。爱因斯坦认为,有时空就应该有物质,有物质才会有时空。

对这套理论比较好的总结是:时空告诉物质怎么去运动,物质告诉时空怎么去弯曲。

如何从另一个角度理解引力?

20世纪有一个相当深刻的思想,叫做等效原理。爱因斯坦借此把引力与非惯性系就等价起来了。这在数学上可以证明,就意味着时空是弯曲的。

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。

想太空漫游怎么实现?

了解广义相对论,一些科幻作品当中的bug就得到了合理的解释。比如电影《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?

其实很简单,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。

04

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暂时的胜利

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关于广义相对论,爱因斯坦这回对了吗?

科学具有可证伪性。

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。在太阳系里,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。

他是不是什么地方都对了?

只在太阳系里做检验,仍不具备说服力;更何况,人类的雄心也不止于此。

我们将目光投向一个叫做中子星的东西。它是一个质量比太阳还大一点,体积却只有海淀区这么小的一类物体,非常致密,引力场也非常强。

在夜空中,中子星就像灯塔一样旋转,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。

我们要探测什么?

一堆中子星这样的钟在时空中分布。我们在地球上建造了专业级的大型射电望远镜,这堆钟就又可以通过望远镜联系起来,形成所谓的脉冲星测时阵列,这样的阵列可以探测引力波。

建在中国贵州的天眼,其中很重要的一个科学目标就是测引力波。

引力波真的存在吗?

在我们探测到引力波之前,爱因斯坦自己在1916年已经算出了引力波。过了几年他又反悔了,说没有引力波,他算错了。

于是,爱因斯坦问,爱因斯坦对了吗?

再过几年,他又发现算对了。又问:爱因斯坦对了吗?

就这样反复横跳,不断质疑权威,也不断质疑自己。但过去始终未能探测到引力波。直到2015年9月14日,我们成功测到了引力波,证实了爱因斯坦的理论版图。

美国两根臂长分别为4公里的引力波探测器

人类所看到的第一例引力波事例

广义相对论的直接检验者是谁?

其实我们第一例测到的引力波事例来自于黑洞。黑洞也是爱因斯坦的广义相对论预言的天体,它非常神奇,是时空非常扭曲的一种状态。

2019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。

05

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永远在路上

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世界上只有三个人能懂?

爱因斯坦的广义相对论并不是一门随便说说就可以理解的理论,相反,它的深刻程度常常让人心惊而折服。

爱丁顿爵士是世界上第一个测量光线偏折的科学家。当时有一个记者采访时谈到: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?

爱丁顿爵士

费曼和爱因斯坦也有故事?

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,他去参加一个相对论的研讨会,下了飞机以后忘记了地址。

费曼想了想,直接询问出租车司机: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, ...?

司机一听,马上把他送到了正确的地方。

gee-mu-nu,就是广义相对论中描述时空特征的量。

费曼

究竟有没有人可以挑战广义相对论?

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

但从理论上看,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。

光芒永存

爱因斯坦于1955年逝世,当时他的遗嘱执行者念了一首诗来缅怀他:

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。

曾经的爱因斯坦,在极为细微的偏差里超越了牛顿,而他的烁光,始终照耀着人类,是群星中闪亮的一颗。

未来,我们又会迎来怎样的天才呢?

原标题:《爱因斯坦对了吗?北大学者带你探究》

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