《物理的故事——在悖论中前行》
第39节作者:
江湖小片 从爱因斯坦创立狭义相对论以来就有一个公案:“孪生佯缪”,这个佯缪一直持续到爱因斯坦去世之后很多年,其中不乏知名的物理学家。孪生佯缪说的是一对孪生的兄弟,哥哥乘宇宙飞船在外,弟弟在地球上,若干年之后,兄弟二人相见,谁的年纪大?狭义相对论讲述的是时间膨胀的相对性,所以哥哥觉得弟弟大,弟弟觉得哥哥大。实际上,这是因为没有考虑到乘坐宇宙飞船的哥哥需要经历经历加速、变相、减速。哥哥经历了弯曲时空,所以他的钟要比在地球的弟弟要慢,等他们再见时,哥哥比弟弟年轻。
“我生君未生,君老我年轻”,这是科幻电影最钟爱的话题之一,而爱因斯坦为此提供了很好的理论基础,正如1644年清兵入关,为现在的辫子影视打下的坚实基础一样。
日期:2017-08-21 23:25:41
此外,爱因斯坦预言光在引力场中传播会产生多普勒效应中的红移现象。
关于广义相对论的证实有很多有趣的故事,其中也包含的很多的争议。在诸多广义相对论的预言中,光的弯曲最容易得到验证,比如当某恒星的光经过太阳时,可以从地球上好几个点同时观察恒星再分析比对就可以了。只是这几个点不好找,人类必须在白天才能看到太阳,而白天的太阳光芒万丈,根本看不到恒星光,所以只能等到日全食才能观测。
从1914年7月,第一次世界大战爆发,英国和德国分属不同的阵营,这让本来就隔阂的两国学术界雪上加霜。但是英国天文学家亚瑟爱丁顿(Eddington,1882—1944)是一个例外,他热爱和平,而且从不从主观上排斥任何一个国家的学术。1918年他知道了广义相对论,深深地被这股魔力吸引,于是组织队伍准备在日全食时进行观测。
英国本土已经有两百年没日全食,下次日全食将会在9年后的1927年,但是爱丁顿已经等不及了,他需要一个借口好让自己不用服兵役—当然他沉迷于广义相对论也是一个主要原因。
如果想在近期测量,则必须要远途跋涉去非洲和南美洲去观察1919年的日全食,为此爱丁顿的队伍必须穿过大西洋,但战争让大西洋上充满的了危险。好在1918年的光棍节,第一次世界大战结束了,爱丁顿终于如愿以偿,他们在三个地方拍摄了好几组照片。
在众多照片的分析中,有一些与相对论相符,有一些则比较靠近牛顿的万有引力推算的值,爱丁顿以仪器问题将靠近“牛顿值”的数据全都丢弃了。爱丁顿最终勉勉强强的验证了广义相对论的正确性。虽然后人对此诟病甚多,但在当时人们可不管那么多,爱因斯坦一跃成为物理学界最耀眼的明星。
尽管1919年的观察结果存在悬疑,但是在百年之间,广义相对论不断地被验证。1958年红移现象在实验中得到证实;1962年有人利用一对安装在水塔顶上和底下的非常准确的钟,结果验证了时间膨胀效应;1971年,孪生效应被验证,不过参与实验的不是双胞胎,而是一对精准的铯原子钟。
2015年9月,人类发现了引力波,爱因斯坦的预言再次被证实。引力波虽然可以类比于电磁波,但是引力波无视障碍物,不会像电磁波那样会被一堵墙或者一个大胖子阻隔得只剩下一格信号,只是引力波极其微弱,要不然整个宇宙都粘在一起最终成为一个点。估计这也是人类花了整整一百年时间才找到的原因吧。
从广义相对论从诞生一刻起,就开始让人爱之深、恨之切。从1916年后,爱因斯坦因广义相对论多次被提名获得诺贝尔奖,但是浮浮沉沉之后,终究没有获奖(爱因斯坦获得唯一一次诺奖是因为光电效应)。这中间不乏有政治因素,而爱因斯坦本人风趣地说:“如果我的相对论被证明是正确的,德国人就会说我是德国人,法国人会说我是同一个世界的公民;如果我的相对论被否定了,法国人则会骂我德国鬼子而德国人则会把我归为犹太人”。不管怎样,广义相对论已经成为宇宙物理学的基础,也为其他人获得更多诺贝尔奖提供了一个大的舞台,这个舞台至今还在上演这精妙绝伦的故事。
日期:2017-08-21 23:33:20
从古希腊开始,人类就没有停止过对宇宙的思考,亚里士多德将宇宙的第一动力归为上帝,牛顿将其归为万有引力,而爱因斯坦则视之为时空弯曲。爱因斯坦的成功并不能表示万有引力是错误的,后者只不过不够精准罢了。假如宇宙是一个抛物线,自然需要一个2次方的方程来描述,可万有引力只有1次方,所以它只能描述一条直线。(注:这是一种假设,实际情况更为复杂。)
如果有一天,人类发现了新的理论,也只能说爱因斯坦的广义相对论是具有某种局限性的。相比较平易近人的万有引力公式,广义相对论方程则要复杂的太多太多。对方程求解也是一件很烧脑的事,不适合一般人去做,连爱因斯坦本人也没有花特别大的心思在解方程上。
至此时,人类已经发现了两种自然力—引力和电磁力,这两种力很好的被牛顿的万有引力公式(或者广义相对论)和麦克斯韦方程所描述,但这二者之间还没有被统一到一种理论之中。志气满满的爱因斯坦觉得是时候建立一种将宇宙万物大到恒星、小到原子运动都纳入进来的统一理论了,就像电磁理论被统一到麦克斯韦方程组一样。这是爱因斯坦曾经的理想,不过往往阻止人类前行的未必都是高山,还有可能是鞋里的一粒沙子,爱因斯坦也因为“沙子”而与物理学的万有理论渐行渐远了。
日期:2017-08-21 23:55:36
ps:沙子隐喻微观世界。从下章开始介绍量子力学的故事。这是一个烧脑大碟,为此我也看过不少的书,比如《上帝掷骰子么?—量子物理史话》,这是一本很好的书,据说今年有个16岁的天才学生上牛津大学,就是受该书的启发。
我从中也吸收很多精华。不过我觉得《骰子》尚了一些没有写的特别清楚,亦或者说它还是有些高深。于是我就大胆写了一些,依然是以悖论为前提,带着问题看故事。
从汤姆逊的电子发现开始,又以玻尔量子模型承上启下(实际上也是旧量子力学与新量子力学的分界点),后人尝试解释从而得出了“不相容原理”、“矩阵力学”、“物质波”等等。
希望朋友能喜欢,同时也希望朋友们指正。
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