爱因斯坦对了吗？

文章来源：格致论道讲坛

“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。”

邵立晶

北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员

爱因斯坦究竟对了吗？

如果想问爱因斯坦对了吗，首先就得知道爱因斯坦何许人也。

大家想必都听说过，他是一位非常伟大的物理学家。但是大家可能并不知道，他曾经被评为“世纪第一人”。

这是2000年时代杂志举办的一个评选，想选出上一个世纪，即整整100年里对人类做出了最大贡献、对人类影响最深远的一个人。

当然上个世纪有很多事情、很多人，比如发生过两次世界大战，也涌现出很多人物。

经过评选，我们一致认为，爱因斯坦可以成为当之无愧的世纪第一人。

他被评为了Person of the Century，即所谓的世纪第一人。

爱因斯坦的奇迹年

他究竟做了什么事情呢？这就得从1905年说起。

那时的爱因斯坦其实不太得意，他的工作也没找好，在一个专利局里当小职员。平时有点小爱好，喜欢推物理公式，工作之余算一算东西。

1905年，他破天荒地发表了几篇文章，人们后来发现这几个工作非常经典，对我们非常重要。

其中有三个比较重要的工作，第一个是布朗运动。

他看着水里的一些花粉漂来漂去，由此推出水是由分子组成的，物质是由分子、原子组成的。

这是一个伟大的结论，一个对世界更深一层的认识。

第二个工作叫做光电效应，就是研究光的。

光照来照去，那么它到底是波还是粒子呢？

于是爱因斯坦就提出，光可以是粒子，也就是所谓的光量子。这个相对于当时的其他物理学家们，提前了很多年，并且有很清晰的量子物理图像。

第三个非常重要的成果，叫做狭义相对论。

这三个成果之中，第二个成果让爱因斯坦拿到了一个“小奖”，叫做诺贝尔物理学奖。

可是在这三个工作中，被大家认为最重要的，是狭义相对论。

狭义相对论究竟是一个什么样的理论？这就要从当时的历史情景讲起。

当时物理学界有一个权威人物叫牛顿，爱因斯坦可能是去听了一场报告，叫做“牛顿对了吗”。

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。

时空是什么？

时：时间，连绵不绝。空：空间，无限扩展。

牛顿认为时间和空间是绝对的，而且是互不相干的，这跟我们所认为的时空非常类似，我们就生活在这样的一个时空里面，我们在时空里运动。

可是爱因斯坦认为当时的一个测光速的实验，就是一束光照向你，你朝着光束跑，和你跟着光束在同一个方向一起跑、逆着跑，测到的光速是一样的，总是测不出来差别。

如果是牛顿的时空观，朝着光速跑的时候，应该测到更大的光速，跟光速一起跑的时候，测到的光速会小一点。

可是不是实验告诉我们，它们是一样的？

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。

爱因斯坦提出这一点后，对牛顿的时空观产生了一个非常大的挑战，从而他提出了狭义相对论。

狭义相对论被爱因斯坦提出来后，它对了吗？

在物理学中，对与不对不是由权威说了算的。

物理学是一门实验科学，需要通过做实验，去研究它对还是不对，跟实验相符的就有可能对，跟实验不相符的肯定是错的。

举一个简单的例子，爱因斯坦的狭义相对论里有一个著名的推论，叫做质量能量转化关系，就是质量可以转化为能量。它的质量大的话，可能能量也大。

但这个东西到底对不对，是需要经过实验检验的。

实验检验有很多种，比如核弹的爆炸，其实就是利用了能量质量转化关系。

还有核能发电厂，也是利用了能量质量关系。这些关系现在都已经可以检验到，精度非常高。

所以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，它也在物理学界得到了非常好的评价。

德布罗意先生就评价狭义相对论像光彩夺目的火箭，在黑暗的夜空中，突然划出一道短促而又十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。

可是，爱因斯坦得到狭义相对论后并不满足，他又在想，狭义相对论挺好，可是是不是还有什么问题？

比如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，这是需要解释的。不相符，可能有一个错了，或者两个都是错的。

大家知道，牛顿的引力理论是非常深入人心的。比如苹果从树上往地上落，月亮绕着地球转，天与地的事情都归它管，它是一个管天和地的理论。

如果说它是错的，就需要有更加强的证据来说明这件事情。

爱因斯坦发现，狭义相对论与牛顿引力不相符，他想要解释这个矛盾，这件事情并不被十分看好。

当时有一个叫普朗克的人，他相当于一个前辈。

他碰到爱因斯坦时说：哎呀，爱因斯坦，你做的狭义相对论太好了，非常好，我每天可能都要用一用。可是现在一切都解释明白了，你为什么还在忙于另一个问题呢？

十年磨一剑之广义相对论

另一个问题就是引力问题，爱因斯坦并没有因此感到沮丧，而是接着做这方面的研究，整整做了10年，从1905年做到1915年。

他终于把这个矛盾解决了，提出了一套广义相对论的引力理论。这套理论非常厉害，它把时空和物质非常完整地结合起来。

他认为有时空就应该有物质，有物质才会有时空。这是一套非常颠覆人类对时间和空间认识的理论。

对这套理论比较好的总结是：时空告诉物质怎么去运动。

在这张图中大家可以看到，因为这个小球是物质，它在动，导致时空弯曲，另外，时空告诉物质怎么去运动。这是一套关于时空与物质相互作用的引力理论。

给大家解释一个上世纪最深刻的思想，没有之一 ，叫做等效原理。

爱因斯坦是第一个把这个东西看得非常高的人，这个问题是这样的，爱因斯坦站在秤上想称称体重 ，他看到有一个体重数。

扔一个球，球会往下掉，因为有引力，放到火星上可能轻一点，但是也有引力。

有一个好事之徒做了一件事，他把爱因斯坦、秤和球同时往下扔。

爱因斯坦还是站在秤上，球还是在往下掉，但是爱因斯坦看这个球没有往下掉，因为他在和球一起往下掉，而且他看体重器没有体重，因为秤在和他一起往下掉。

这时，爱因斯坦、秤和球处于一个叫做惯性系的参考系。

相反，爱因斯坦站在地上称体重，是非惯性系，那么引力与非惯性系就被等价起来了。

这在数学上可以证明，就意味着时空是弯曲的。

当然 ，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。

大家可以想一想，为什么这件事情如此震撼了爱因斯坦？

爱因斯坦在76岁过生日时，有人可能忘了准备礼物，就随手给爱因斯坦弄了一个东西。

可能是一个一次性纸杯，下面做一个回形针，然后拴一根有弹性的绳子，挂两个有重量的球。

这个东西很简单，反正放在桌子上，就像左边图的样子，但是这个时候它不是最自然的状态，绳子被拉伸了，它最自然的状态应该是往回缩，怎么往回缩呢？

把它往下一放，在这个下落的过程中，你可以看到，这根绳子很快就把球缩回去了，它又处于一个最自然的状态。

也就是说它受引力时，在一个非惯性系里，做自由落体时，在一个惯性系里。

这是一个非常深刻的思想，爱因斯坦当时也对这个礼物非常满意。

这个东西在科幻作品中也有体现，比如太空漫游，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？

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。

杨振宁先生说过一句话：二十世纪物理学有三个大的贡献，其中两个半是爱因斯坦的。两个指的是狭义相对论和广义相对论，半个指的是光电效应。

科学具有可证伪性

当然，有很多艺术学家也对时空弯曲有自己的解释，他们做出了非常漂亮的艺术作品。

可是，爱因斯坦的广义相对论不是一门非常简单的理论，刚才只是给大家讲了一个最核心的思想。这件事情可以从一位记者问爱丁顿爵士的问题中体现出来。

爱丁顿爵士是世界上第一个测量光线偏折的科学家。当时有一个记者问他：爱丁顿爵士，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？

从这件事中可以看到，广义相对论是非常难的。

还有一个很有意思的问题，就是费曼的故事。

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，他去开一个相对论的会，到了会场，下了飞机以后忘记了地址。

他就找到一个出租车司机问：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，。。。？

那个司机一听，马上把他送到了正确的地方。

gee-mu-nu是什么呢？

就是广义相对论中描述时空特征的量，这是一个非常有意思的团体。

科学具有可证伪性，爱因斯坦这回又对了吗？

比如在太阳系中，我们可以通过各种实验去检验爱因斯坦的各种理论。在太阳系中，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。

还有大家经常用的GPS全球定位系统，里面就有相对论效应。

如果不考虑狭义相对论效应，那么一天便会有两公里的偏差，如果不考虑广义相对论效应，一天就会有14公里的偏差。

那么爱因斯坦就对了吗？这么高的精度的检验就对了吗？他是不是什么地方都对了？

不一定。

我们又把眼睛望向了遥远的星空，我们要做更加极端一点的事情，比如我们要考察一个叫做中子星的东西。

中子星的质量比太阳要大一点，它的大小有海淀区这么大，非常小，所以它的密度非常高。

拿勺子装一勺中子星的物质，这个物质的重量就比全球人的重量加起来还要多，是非常致密的一类物体，引力场也非常强，所以是一个检验引力的非常好的地方。

比如它在空中会像灯塔一样转，会被我们观测到，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。

我们的探测需要用专业级的大型望远镜去看。

这是建在中国贵州的中国天眼FAST望远镜，可以看到脉冲星，这是它的一个非常重要的科学研究目标。

脉冲星是一堆钟在时空中分布，这堆钟又可以通过这些大型的射电望远镜联系起来，形成所谓的脉冲星测时阵列，这样的阵列可以探测引力波。

爱因斯坦在1916年自己算出了引力波，过了几年他又反悔了，说没有引力波，他算错了。

爱因斯坦问，爱因斯坦对了吗？

过了几年，他又发现算对了。又问，爱因斯坦对了吗？

这是一种非常好的习惯，不仅是对权威有质疑，对自身也有质疑，这种习惯在科学中是非常重要的素质。

我们现在其实已经测到引力波了，我们在2015年9月14号测到了引力波，那时我也加入了他们的合作组，当时非常激动 ，我们用了非常长的时间去做这件事情。

这是测到引力波的望远镜，这是在美国的有两根臂长分别是4公里的引力波探测器。

这是人类所看到的第一例引力波事例，它非常微小需要非常精确的探测技术才能测到它。

其实我们第一例测到的引力波探测的事例是来自于黑洞的，黑洞是另外一个非常神奇的爱因斯坦的广义相对论预言的天体，它是时空非常扭曲的一种状态。

去年，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。

我也是事件视界望远镜合作组的成员，非常有幸，我们在很高的精度上，不仅测到了双黑洞并合的事例，也测到了双中子星并合的状态。

这个并合状态过程对我们非常重要，因为它生成的一些元素，是地球和太阳系所不可或缺的元素。

爱因斯坦在1955年逝世了，当时他的遗嘱执行者念了一首诗来缅怀他。

他说：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。

思想晚餐

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留住孩子的好奇心

爱因斯坦就是这样一位世纪伟人。但是爱因斯坦如何评价他自己呢？

他很谦虚地说：我没有特殊的才赋，我只是非常好奇罢了。

他敢于挑战权威，有一颗充满好奇的心，这是我们现在，非常稀缺的一种品质。

那爱因斯坦对了吗？

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

但我们的技术也在发展，可能什么时候他也会错，就像牛顿的万有引力一样，它在很小的范围内偏离爱因斯坦的理论，最后被爱因斯坦的理论所取代。

在理论上来说，爱因斯坦的广义相对论还存在一些问题。

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。

所以我们这个时代也需要能够挑战权威、能够提出问题的人。提问是非常重要的，就像我们做研究的人，经常看到的一幅图。

这个白色的圈，表示人类的知识，我们做研究，是专门钻一个很小的点，使劲钻，最后能做出什么呢？

可能钻了一个非常小的点，但是这个点是人类全新的知识，它将永远被流传下去。

在这个过程中，好奇心非常重要，它驱使你能够做这件事情，这件非常不好做的事情，它是不容易做的事情的原初动力。

所以大家一定要好好地留住孩子们的好奇心。