单位文秘网 2021-09-01 09:01:18 点击: 次
冯八飞,对外经贸大学外语学院德语系教授、北京外国语大学博士、柏林洪堡大学博士后、洪堡大学语言与语言学系博导、德国语言研究院国际科学家委员会委员、中国认知语言学会常务理事,曾出版《沉浮莱茵河》《永远的白玫瑰》《大师的小样》等作品。
在“爱因斯坦”这一场史上最精彩科学大事件中,有三个最重要的时间点,一个是1905年,这一年他在德国莱比锡《物理学刊》发表五篇论文,狭义相对论横空出世,这一年从此被物理学史定名“奇迹年”。第二个是1915年,这年11月爱因斯坦向普鲁士科学院提交四个科学报告,广义相对论诞生柏林。
最后一个重要的年份,就是1919年。
那么,1919年到底发生了什么事儿,以至于它能名列爱因斯坦科学生命三大里程碑呢?
是因为那年爱因斯坦遇到一个人。
爱因斯坦遇到这个人,但其实并未遇到他。
这个人名叫爱丁顿。
1919年,“奇迹年”已过去14年,爱因斯坦作为科学新星在国际顶尖物理学舞台崭露头角。然而,他成为人类最伟大的物理学天才的那一夜仍未到来。爱因斯坦的远见卓识领先他的时代如此之远,以至于连他的拥护者也无法凭当时的科技来证明相对论。事实上,直到今天,全世界顶尖科学家还在孜孜不倦地求证相对论,或者试图证伪。1955年,德国物理学家、量子力学奠基人之一玻恩曾说:“过去和现在,我都认为广义相对论是人类认识大自然的最伟大成果,它令人惊叹地一统哲学的深奥、物理的直观和数学的技艺。”
啥子是物理?
物理是人类最古老的科学之一,它源于人类对于地球和太空的无限惊叹和夺命探索。可是,大部分人不知道,物理学可以分为实验物理学与理论物理学。
绝大部分物理学家都是实验物理学家,如伽利略、发现电磁感应定律的法拉第、用实验证明电磁场磁感线的赫兹、发现中子的查德威克、发现氢气的卡文迪许、发现能量守恒定律的焦耳、提出分子电流学说的安培和发现欧姆定律的欧姆,等等。
理论物理学不同,它完全是理论,刚提出来时跟科幻小说差不多,提出后只能静待后世通过实验验证,有时实在找不到验证的方法,于是就一直是一种理论。比如宇宙大爆炸理论,现在算宇宙产生的主流理论,大家都比较同意,但其实到今天还没找到直接证据,因为根本造不出这么大的实验室来重现宇宙大爆炸。这个理论只是根据宇宙加速度膨胀的观测结果推论出来的猜测。
实验物理学家一般看不起理论物理学家,觉得他们提出的理论基本上是胡说八道。但从牛顿开始,近代最伟大的物理学家基本上都可以算理论物理学家,如提出电磁场理论的麦克斯韦、提出相对论的爱因斯坦、提出量子理论的玻尔和普朗克,最后是提出虫洞理论的霍金。
理论物理学提出时一般都没有实验证据,都要依靠数学计算来推理,因此数学家格罗斯曼才对爱因斯坦发现广义相对论如此重要。爱因斯坦从不隐讳这一点,1915年他在一封信中说:“目前,我全心全意扑在引力问题上,我确信,依靠这里一位数学好友的帮助,我将克服这些困难。但有一点是肯定的,在我整个一生中,我的工作都不够努力。我现在非常尊重数学,而此前,我简单地认为数学的精妙只是纯粹的奢侈品,与此相比,最初的相对论不过儿戏而已。”
这位数学好友,就是格罗斯曼。
正因为如此,广义相对论刚问世时遭到世界物理学界的集体冷落,都把它看成拼拼凑凑的数学游戏。爱因斯坦本人根本不屑于去验证,因为他知道自己是对的,但为让物理学界信服,他提出了验证广义相对论的三个预言。
这三个预言最后都令人惊讶地成真。
第一个是“水星近日点进动”。这是牛顿力学中的老大难。看官须知,亚里士多德认为星体运行轨道都是圆形。在古希腊哲学中,圆形代表完美和谐,而地球上的运动,例如重物直线下落,在古希腊哲学看来都是不完美的。后来根据布雷赫—开普勒行星轨道运行定律和牛顿运动定律,大家认为行星围绕太阳旋转时其轨道是椭圆,并非圆形。
这个说法很快遇到了不可解决的困难——即水星近日点进动。
太阳系中离太阳最近的星体是水星。法国天文学家勒维里埃经过观测发现水星轨道不是标准椭圆。水星每绕太阳公转一周,这个轨道离太阳最近的那一点(水星近日点)的位置就有微小进动(向太阳方向移动),每100年进动5600.73角秒。金星对水星的引力及其他因素可以解释其中的5557.62角秒,但剩下的43.11角秒却无论如何也找不到解释。这是物理学史上最大的悬案之一,被称为“飘浮在牛顿引力理论上空的一朵乌云”。因为,无法解释这个进动,牛顿万有引力理论就有可能被推翻。那欧洲就没科学啦。
于是,根据牛顿万有引力理论,大家只好假设太阳系还有一颗“火神星”,它的引力导致了水星近日点这43.11角秒的进动。这倒也非闭着眼瞎猜,因为此前的海王星就是这样根据牛顿的万有引力理论找到的。但这一次遇到了问题,无论大家如何努力,这颗火神星始终没找到。
1915年爱因斯坦的论文《论广义相对论》发表在权威刊物《普鲁士科学院学报》。这是爱因斯坦的得意之作,他自诩为“一生最有价值的发现”,还预言“这个理论的魔力将让真正理解它的人终生难忘”。这篇论文的精华是一个方程式,凭它可在限定质量或辐射时得出空间的曲率。爱因斯坦的结论是:“物质决定空间的弯曲,而空间则决定物质的运动。”正是这篇论文提出引力场将导致星光弯曲,而这是爱因斯坦1911年后第二次这样预言。
引力场导致星光弯曲完美解释水星近日点的进动,这意味着爱因斯坦的广义相对论直接KO牛顿的万有引力理论。爱因斯坦的解释是:根本就没有“火神星”!只是因为太阳的存在造成空间弯曲,加上牛顿万有引力理论不够精确,计算轨道出现误差,这才导致了这场漫长的误会。爱因斯坦以他自己的引力场方程式精确地算出水星进动轨道的正确数值,后来科学观测得到的数值与此完全一致。
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