“牛顿啊,请原谅我。”

陈老师
陈老师 2020-11-28 17:18
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2019年4月10日晚21时。

全人类都在激动地等待一张照片的公布。

公布前,科学家们显得非常高调、自信。

当照片一出,即刻在朋友圈刷屏,有好奇,有赞美,也有疑惑——这是人类第一次确认了黑洞的存在!

图:黑洞,“事件视界望远镜”组织发布

左图,是科学家根据现有宇宙理论计算出来的黑洞,右图则是此次真实拍出的。可见,两者已经非常相似。这说明理论预测又一次取得了重大成果,人类在“从哪儿来,到哪里去”这个终极问题上又进了一步。

那又是什么理论如此富有远见?

本文把时光倒推105年,1915年那一年,爱因斯坦提出了广义相对论。有了相对论,我们才逐渐知道了黑洞这种东西。

星际穿越

在上面这张照片公布前,人们对黑洞印象最深的一幕,也是最接近真实黑洞的,来自科幻大片《星际穿越》。2020年8月至今,该片还在各大院线重映呢。

影片中讲了这么一个故事:地球黄沙席卷,农作物灭绝,自然环境恶化,人类剩下的光景无几。NASA的科学家在土星附近发现了一个“虫洞”,通过这一“时空隧道”,就可以突破人类科技极限,去寻找延续生命的星球。35岁的主人翁库珀告别10岁的女儿墨菲,执行这一宇宙飞行任务。然而,宇宙飞行1个小时相当于地球上的7年。

在太空中,库珀经历了时空扭曲、掉进了黑洞、进入了超维空间。当库珀再次见到女儿时,已经124岁,但生理年龄37岁,而女儿生理上和现实中都已经99岁。也就是说,爸爸比女儿年轻62岁。


这种情形,是相对论所揭示的:“时间变慢的机制”,物体的运动速度越快,其时间流逝就越慢。以超高速飞行的爸爸库珀,在太空遨游一圈,变得比女儿“年轻”,是完全符合物理学原理的。

同理,常年在天上的飞行员和空姐,要比地面上的同龄人要年轻一点。当然,只是一丁点,因为飞机的速度还远远不够快,飞一辈子也年轻不到一秒。要实现“天上一天,人间一年”的效果,要求你把速度提高到接近光速才行。

《星际穿越》中的超远距离旅行,借助了“虫洞”,虫洞是时空弯曲下,连接空间两部分的小隧道。打个比方,从北京到西雅图,经地球表面飞过去需要很远、很久,但如果在地球上打一个洞穿过去,就大大缩短了路程。同理,在宇宙中,经过虫洞,我们就可以从太阳系穿越到另外一个星系。

图:虫洞,来源:《星际穿越中的科学》

库珀又带领我们走进了黑洞。黑洞的引力特别强,任何东西掉进黑洞,就永远回不来了,包括光。人掉进去的体验是怎样的呢?将被潮汐力从侧面挤压成面条,而且身体下半部分的引力比上半部分的引力强很多,最终引力之差会把你撕裂。不过,影片中采用的是“温和奇点”的说法,没有把库珀撕碎。

图:《星际穿越》中的黑洞。为了呈现黑洞,剧组召集了30人的科研小组,耗用几千枚CPU运算了一整年,才计算出电影中的黑洞。

虽然《星际穿越》有一些槽点,但千万不要以为剧情都是异想天开。其中,虫洞、黑洞、奇点……都是根据广义相对论推演出来的。影片的科技指导基普·索恩还因在引力波观测方面的决定性贡献,荣获2017年诺贝尔物理学奖,他也是是黑洞提出者约翰·惠勒的传人。

毫不夸张地说,今天关于宇宙太空题材的科幻,种种脑洞大开的奇思妙想,几乎都是广义相对论的推论。

著名物理学家杨振宁如此赞美道,“作为科学革命,广义相对论在人类历史上是独一无二的;其设想宏伟、美妙、广邃,催生了令人敬畏的宇宙学,而且它是一个人独自孕育并完成的,这一切让我想起《旧约》里的创世篇。”

这个创世者就是:阿尔伯特·爱因斯坦。

创世前

20世纪初,经典物理学的大厦已经建成。德高望重的开尔文勋爵在英国一场讲演中自信地说:“当前,物理学中已经没有什么新东西可以发现了,剩下的就是把测量做得越来越精确而已。”

不过,晴朗天空中的远处,飘来令人不安的乌云。

1905年,在西方,距离“牛顿奇迹年”已经过去了整整240年,在东方,则是清朝光绪31年。在瑞士,26岁的伯尔尼专利局的助理鉴定员爱因斯坦,上着每周六天的班,领着3500法郎的薪水,养家糊口勉强凑合。他这份工作,还是托同学的老爸走后门找来的。

这份工作最大的好处就是清闲,没事就琢磨他那个被常人视为疯子的思维实验——“假如我和光飞得一样快,那我会看到什么?”

这一想,可不得了。


这年6月,爱因斯坦发表论文提出“光量子假说”,开启了“量子论”先河,并因“光电效应”于1921年获得诺贝尔奖。

7月,爱因斯坦测定了分子和原子的存在。

9月,创立了狭义相对论。

11月,根据狭义相对论推导出E=MC2。没有这个公式,就没有原子弹。

就这样,爱因斯坦用半年时间,连发五篇神作般的论文,如闪电划破黑夜,把整个物理学的乌云刮跑了,犹如球场上26岁的马拉多纳

,在物理世界中“连过五人”,演绎“世纪进球”。

可是!以上这些都是“事后诸葛亮”。在1905年,真实情况不是这样的。

这些金光闪闪的论文,既没有帮他得到博士文凭,也没有帮他获得一份教职,哪怕是在中学教书。假如他这时放弃理论研究,物理界也毫不惋惜。

1907年,伯尔尼大学拒绝了他无俸讲师职位的申请。

夏天,物理届大佬普朗克,就是量子物理的奠基人,派助手冯·劳厄去接触爱因斯坦。劳厄到了瑞士,惊讶地发现爱因斯坦竟然不是伯尔尼大学的教授。“所以我没跟他打招呼,”劳厄回忆说,“他给我递了一支雪茄,它难闻极了,我将它丢到了河里。”

窘迫的爱因斯坦,看到苏黎世一所高中招聘几何老师,就去应聘了,还附上了狭义相对论论文,在21名申请者中,他早早被刷了。

后来,他勉强当上了伯尔尼大学的无俸讲师,他讲授热理论,听课者三人;他讲授辐射理论,听课者一人,最后课程取消了。

好吧,“冷漠的人,谢谢你们曾经看轻我。”爱因斯坦于1907年11月开始,独自踏上了通往物理学史上最优雅、最震撼人心的征途——广义相对论的证明。

几年之后,他将名扬天下,他此前上课的每一次散乱、支吾和邋遢也将成为世人的美谈。

广义相对论

秋去冬来。

转眼到了1915年的11月,距离“狭义相对论”提出已经整整十年,距离证明“广义相对论”已经八年。爱因斯坦要放大招了。

牛顿过去说,苹果是从树上砸下来的,因为地心引力。他提出了“万有引力”理论。

爱因斯坦说,不对,苹果掉下来,是因为它正在落到地球质量造成的时空小坑里。

举例来说,先看图:


把宇宙时空想象成一张蹦床,蹦床原本是平的,现在往上面放个球,有球的地方周围就压成弯曲的了,弯曲了周围的时空。随后,小球就会沿着大球四周凹陷进去的地方绕转滚动。地球围绕太阳公转也就是这个道理。广义相对论解释,这叫“物质告诉空间如何弯曲”。

这与牛顿说的地球因太阳的引力而转动截然不同。在广义相对论里,引力的本质,就是空间的形变,它影响了物质的运动,这叫“空间告诉物质如何运动”。

理解了这张图,就可以说是广义相对论入门了。

最伟大的理论,最简洁的思想。

1915年11月末,爱因斯坦在普鲁士科学院讲演《引力的场方程》时,完成了广义相对论的解释。一起来欣赏一下“宇宙之美”的方程:

此时,36岁的爱因斯坦对宇宙做出了历史上最具想象力的修正。对于这个方程,量子力学奠基人、诺奖得主玻恩称赞“人类思考自然的最伟大成就,哲学洞察、物理直觉和数学技巧最令人惊叹的结合”。有了相对论,人类的时空观将发生彻底改变。

可是!在当时,除了圈内一些人认可外,社会上对这一过于超前的理论普遍懵懂,更不可能相信牛顿能被推翻。

现在,还需要一场实验来证明相对论的正确。

运气

过去的常识里,人们认为光在真空中永远走直线。

但根据爱因斯坦的解释:引力会使光线弯曲,他还预言了光经过太阳附近的强引力场时弯曲的程度。

证据呢?

困难之处在于太阳光太刺眼,周围的星光都被太阳给掩盖了。最佳时机唯有等待日全食的出现,用月亮挡住太阳光。如果这时,藏在太阳正背后的恒星发出的光,能够观测到,就说明太阳弯曲了光的路线,很好证明。


证明爱因斯坦这种极富远见、极为宏观的理论,需要耗费巨大的人力、财力。很多伟大的理论猜想创立者,在老去甚至逝世多年之后才得以证明其价值,像日心说、大陆漂移说、费马大定理……当时还是一战期间。更别提,日全食数十年才有一次,并且需要发生当天观测点还不能下雨。

可见证明广义相对论,不仅需要智力,更重要的是运气。爱因斯坦是非常幸运的。

第一份幸运是,这一天来得很快,三年后的1919年5月29号,就有一次日全食。而错过这一次,要等到20多年后的1937年6月8日。

第二份幸运是,遇到了正确的人。在反德情绪高涨的英国,剑桥天文台台长阿瑟·爱丁顿与皇家天文学家弗兰克·戴森爵士,却被相对论深深吸引,极力游说政府找到了经费,说服了英国海军部,在下一次日全食期间率领一支远征队去检验广义相对论。

第三份幸运是,天空作美。爱丁顿率队前往最佳观测点非洲普林西比岛。日全食当天早上,雨下得很大,但日食临近时,天空开始放晴。爱丁顿抓拍了16张照片,日珥非常明显, 1.7弧秒的偏折,符合爱因斯坦的预言。

半年后。

1919年11月6日下午,英国皇家学会与皇家天文学会齐聚在皮卡迪利大街的伯林顿会馆,大厅中悬挂着牛顿的巨幅肖像,威严地俯视着全场,议程唯有一项:听取关于日食观测的报告。爱丁顿宣读了观测结果:广义相对论,说得对。

11月7日,伦敦的《泰晤士报》刊登了以下三行大标题:

科学中的革命!

新的宇宙理论!

牛顿思想被推翻!

爱因斯坦声名大震,获得了世界性声誉。远在柏林的爱因斯坦听到这一消息后,买了一把新小提琴以示庆祝,他后来写道:“牛顿啊,请原谅我。”


到此,这篇略显烧脑的思维穿越旅行结束了。105年来,时间旅行、原子裂变、宇宙大爆炸、暗能量、黑洞、虫洞、引力波……从简洁美妙的相对论公式里,人们时不时从中解出关于宇宙的奥秘,今天,还有很多未知的内容等待我们去发现、去完善。

【参考文献】

《爱因斯坦传》,沃尔特·艾萨克森

《爱因斯坦的机遇与眼光》,杨振宁

《星际穿越》影片

《星际穿越中的科学》纪录片


来源:中国青年网

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