牛頓的想象力有多強;牛頓想象力

2024-01-05 13:30:11

2019年4月10日晚21時。

全人類都在激動地等待一張照片的公布。

公布前，科學(xué)家們顯得非常高調(diào)、自信。

當(dāng)照片一出，即刻在朋友圈刷屏，有好奇，有贊美，也有疑惑——這是人類第一次確認(rèn)了黑洞的存在！

牛頓的想象力有多強;牛頓想象力

圖：黑洞，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”組織發(fā)布

左圖，是科學(xué)家根據(jù)現(xiàn)有宇宙理論計算出來的黑洞，右圖則是此次真實拍出的。可見，兩者已經(jīng)非常相似。這說明理論預(yù)測又一次取得了重大成果，人類在“從哪兒來，到哪里去”這個終極問題上又進(jìn)了一步。

那又是什么理論如此富有遠(yuǎn)見？

本文把時光倒推105年，1915年那一年，愛因斯坦提出了廣義相對論。有了相對論，我們才逐漸知道了黑洞這種東西。

星際穿越

在上面這張照片公布前，人們對黑洞印象最深的一幕，也是最接近真實黑洞的，來自科幻大片《星際穿越》。2020年8月至今，該片還在各大院線重映呢。

影片中講了這么一個故事：地球黃沙席卷，農(nóng)作物滅絕，自然環(huán)境惡化，人類剩下的光景無幾。NASA的科學(xué)家在土星附近發(fā)現(xiàn)了一個“蟲洞”，通過這一“時空隧道”，就可以突破人類科技極限，去尋找延續(xù)生命的星球。35歲的主人翁庫珀告別10歲的女兒墨菲，執(zhí)行這一宇宙飛行任務(wù)。然而，宇宙飛行1個小時相當(dāng)于地球上的7年。

在太空中，庫珀經(jīng)歷了時空扭曲、掉進(jìn)了黑洞、進(jìn)入了超維空間。當(dāng)庫珀再次見到女兒時，已經(jīng)124歲，但生理年齡37歲，而女兒生理上和現(xiàn)實中都已經(jīng)99歲。也就是說，爸爸比女兒年輕62歲。

圖：《星際穿越》中的父女變化

這種情形，是相對論所揭示的：“時間變慢的機制”，物體的運動速度越快，其時間流逝就越慢。以超高速飛行的爸爸庫珀，在太空遨游一圈，變得比女兒“年輕”，是完全符合物理學(xué)原理的。

同理，常年在天上的飛行員和空姐，要比地面上的同齡人要年輕一點。當(dāng)然，只是一丁點，因為飛機的速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠快，飛一輩子也年輕不到一秒。要實現(xiàn)“天上一天，人間一年”的效果，要求你把速度提高到接近光速才行。

《星際穿越》中的超遠(yuǎn)距離旅行，借助了“蟲洞”，蟲洞是時空彎曲下，連接空間兩部分的小隧道。打個比方，從北京到西雅圖，經(jīng)地球表面飛過去需要很遠(yuǎn)、很久，但如果在地球上打一個洞穿過去，就大大縮短了路程。同理，在宇宙中，經(jīng)過蟲洞，我們就可以從太陽系穿越到另外一個星系。

圖：蟲洞，來源：《星際穿越中的科學(xué)》

庫珀又帶領(lǐng)我們走進(jìn)了黑洞。黑洞的引力特別強，任何東西掉進(jìn)黑洞，就永遠(yuǎn)回不來了，包括光。人掉進(jìn)去的體驗是怎樣的呢？將被潮汐力從側(cè)面擠壓成面條，而且身體下半部分的引力比上半部分的引力強很多，最終引力之差會把你撕裂。不過，影片中采用的是“溫和奇點”的說法，沒有把庫珀撕碎。

圖：《星際穿越》中的黑洞。為了呈現(xiàn)黑洞，劇組召集了30人的科研小組，耗用幾千枚CPU運算了一整年，才計算出電影中的黑洞。

雖然《星際穿越》有一些槽點，但千萬不要以為劇情都是異想天開。其中，蟲洞、黑洞、奇點……都是根據(jù)廣義相對論推演出來的。影片的科技指導(dǎo)基普·索恩還因在引力波觀測方面的決定性貢獻(xiàn)，榮獲2017年諾貝爾物理學(xué)獎，他也是是黑洞提出者約翰·惠勒的傳人。

毫不夸張地說，今天關(guān)于宇宙太空題材的科幻，種種腦洞大開的奇思妙想，幾乎都是廣義相對論的推論。

著名物理學(xué)家楊振寧如此贊美道，“作為科學(xué)革命，廣義相對論在人類歷史上是獨一無二的；其設(shè)想宏偉、美妙、廣邃，催生了令人敬畏的宇宙學(xué)，而且它是一個人獨自孕育并完成的，這一切讓我想起《舊約》里的創(chuàng)世篇。”

這個創(chuàng)世者就是：阿爾伯特·愛因斯坦。

創(chuàng)世前

20世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。德高望重的開爾文勛爵在英國一場講演中自信地說：“當(dāng)前，物理學(xué)中已經(jīng)沒有什么新東西可以發(fā)現(xiàn)了，剩下的就是把測量做得越來越精確而已。”

不過，晴朗天空中的遠(yuǎn)處，飄來令人不安的烏云。

1905年，在西方，距離“牛頓奇跡年”已經(jīng)過去了整整240年，在東方，則是清朝光緒31年。在瑞士，26歲的伯爾尼專利局的助理鑒定員愛因斯坦，上著每周六天的班，領(lǐng)著3500法郎的薪水，養(yǎng)家糊口勉強湊合。他這份工作，還是托同學(xué)的老爸走后門找來的。

這份工作最大的好處就是清閑，沒事就琢磨他那個被常人視為瘋子的思維實驗——“假如我和光飛得一樣快，那我會看到什么？”

這一想，可不得了。

圖：1905年的愛因斯坦，來源：視覺中國

這年6月，愛因斯坦發(fā)表論文提出“光量子假說”，開啟了“量子論”先河，并因“光電效應(yīng)”于1921年獲得諾貝爾獎。

7月，愛因斯坦測定了分子和原子的存在。

9月，創(chuàng)立了狹義相對論。

11月，根據(jù)狹義相對論推導(dǎo)出E=MC2。沒有這個公式，就沒有原。

就這樣，愛因斯坦用半年時間，連發(fā)五篇神作般的論文，如閃電劃破黑夜，把整個物理學(xué)的烏云刮跑了，猶如球場上26歲的馬拉多納，在物理世界中“連過五人”，演繹“世紀(jì)進(jìn)球”。

可是！以上這些都是“事后諸葛亮”。在1905年，真實情況不是這樣的。

這些金光閃閃的論文，既沒有幫他得到博士文憑，也沒有幫他獲得一份教職，哪怕是在中學(xué)教書。假如他這時放棄理論研究，物理界也毫不惋惜。

1907年，伯爾尼大學(xué)拒絕了他無俸講師職位的申請。

夏天，物理屆大佬普朗克，就是量子物理的奠基人，派助手馮·勞厄去接觸愛因斯坦。勞厄到了瑞士，驚訝地發(fā)現(xiàn)愛因斯坦竟然不是伯爾尼大學(xué)的教授。“所以我沒跟他打招呼，”勞厄回憶說，“他給我遞了一支雪茄，它難聞極了，我將它丟到了河里。”

窘迫的愛因斯坦，看到蘇黎世一所高中招聘幾何老師，就去應(yīng)聘了，還附上了狹義相對論論文，在21名申請者中，他早早被刷了。

后來，他勉強當(dāng)上了伯爾尼大學(xué)的無俸講師，他講授熱理論，聽課者三人；他講授輻射理論，聽課者一人，最后課程取消了。

好吧，“冷漠的人，謝謝你們曾經(jīng)看輕我。”愛因斯坦于1907年11月開始，獨自踏上了通往物理學(xué)史上最優(yōu)雅、最震撼人心的征途——廣義相對論的證明。

幾年之后，他將名揚天下，他此前上課的每一次散亂、支吾和邋遢也將成為世人的美談。

廣義相對論

秋去冬來。

轉(zhuǎn)眼到了1915年的11月，距離“狹義相對論”提出已經(jīng)整整十年，距離證明“廣義相對論”已經(jīng)八年。愛因斯坦要放大招了。

牛頓過去說，蘋果是從樹上砸下來的，因為地心引力。他提出了“萬有引力”理論。

愛因斯坦說，不對，蘋果掉下來，是因為它正在落到地球質(zhì)量造成的時空小坑里。

舉例來說，先看圖：

圖源：www.uh.edu

把宇宙時空想象成一張蹦床，蹦床原本是平的，現(xiàn)在往上面放個球，有球的地方周圍就壓成彎曲的了，彎曲了周圍的時空。隨后，小球就會沿著大球四周凹陷進(jìn)去的地方繞轉(zhuǎn)滾動。地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)也就是這個道理。廣義相對論解釋，這叫“物質(zhì)告訴空間如何彎曲”。

這與牛頓說的地球因太陽的引力而轉(zhuǎn)動截然不同。在廣義相對論里，引力的本質(zhì)，就是空間的形變，它影響了物質(zhì)的運動，這叫“空間告訴物質(zhì)如何運動”。

理解了這張圖，就可以說是廣義相對論入門了。

最偉大的理論，最簡潔的思想。

1915年11月末，愛因斯坦在普魯士科學(xué)院講演《引力的場方程》時，完成了廣義相對論的解釋。一起來欣賞一下“宇宙之美”的方程：

此時，36歲的愛因斯坦對宇宙做出了歷史上最具想象力的修正。對于這個方程，量子力學(xué)奠基人、諾獎得主玻恩稱贊“人類思考自然的最偉大成就，哲學(xué)洞察、物理直覺和數(shù)學(xué)技巧最令人驚嘆的結(jié)合”。有了相對論，人類的時空觀將發(fā)生徹底改變。

可是！在當(dāng)時，除了圈內(nèi)一些人認(rèn)可外，社會上對這一過于超前的理論普遍懵懂，更不可能相信牛頓能被推翻。

現(xiàn)在，還需要一場實驗來證明相對論的正確。

運氣

過去的常識里，人們認(rèn)為光在真空中永遠(yuǎn)走直線。

但根據(jù)愛因斯坦的解釋：引力會使光線彎曲，他還預(yù)言了光經(jīng)過太陽附近的強引力場時彎曲的程度。

證據(jù)呢？

困難之處在于太陽光太刺眼，周圍的星光都被太陽給掩蓋了。最佳時機唯有等待日全食的出現(xiàn)，用月亮擋住太陽光。如果這時，藏在太陽正背后的恒星發(fā)出的光，能夠觀測到，就說明太陽彎曲了光的路線，很好證明。

圖源：www.bbvaopenmind.com

證明愛因斯坦這種極富遠(yuǎn)見、極為宏觀的理論，需要耗費巨大的人力、財力。很多偉大的理論猜想創(chuàng)立者，在老去甚至逝世多年之后才得以證明其價值，像日心說、大陸漂移說、費馬大定理……當(dāng)時還是一戰(zhàn)期間。更別提，日全食數(shù)十年才有一次，并且需要發(fā)生當(dāng)天觀測點還不能下雨。

可見證明廣義相對論，不僅需要智力，更重要的是運氣。愛因斯坦是非常幸運的。

第一份幸運是，這一天來得很快，三年后的1919年5月29號，就有一次日全食。而錯過這一次，要等到20多年后的1937年6月8日。

第二份幸運是，遇到了正確的人。在反德情緒高漲的英國，劍橋天文臺臺長阿瑟·愛丁頓與皇家天文學(xué)家弗蘭克·戴森爵士，卻被相對論深深吸引，極力游說政府找到了經(jīng)費，說服了英國海軍部，在下一次日全食期間率領(lǐng)一支遠(yuǎn)征隊去檢驗廣義相對論。

第三份幸運是，天空作美。愛丁頓率隊前往最佳觀測點非洲普林西比島。日全食當(dāng)天早上，雨下得很大，但日食臨近時，天空開始放晴。愛丁頓抓拍了16張照片，日珥非常明顯， 1.7弧秒的偏折，符合愛因斯坦的預(yù)言。

半年后。

1919年11月6日下午，英國皇家學(xué)會與皇家天文學(xué)會齊聚在皮卡迪利大街的伯林頓會館，大廳中懸掛著牛頓的巨幅肖像，威嚴(yán)地俯視著全場，議程唯有一項：聽取關(guān)于日食觀測的報告。愛丁頓宣讀了觀測結(jié)果：廣義相對論，說得對。

11月7日，倫敦的《泰晤士報》刊登了以下三行大標(biāo)題：

科學(xué)中的革命！

新的宇宙理論！

牛頓思想被推翻！

愛因斯坦聲名大震，獲得了世界性聲譽。遠(yuǎn)在柏林的愛因斯坦聽到這一消息后，買了一把新小提琴以示慶祝，他后來寫道：“牛頓啊，請原諒我。”

圖：拉小提琴的愛因斯坦，來源：視覺中國