相對論和引力波如何被發現?愛因斯坦:我智力發展慢

2020-12-06 坦談科技

遙遠大洋的彼岸,一則科學新聞引發國內科技界與公眾的高度關注。美國國家科學基金委員會宣布,首次利用引力波探測器,發現引力波存在的直接證據。

科學家表示,這是一幅奇妙的宇宙圖景:兩顆黑洞的初始質量分別為29顆太陽和36顆太陽,合併成一顆62倍太陽質量且高速旋轉的黑洞,虧損的質量以強大引力波的形式釋放到宇宙,經過13億年的漫長旅行,最終抵達地球。

引力波新聞迅速佔據國內主流媒體的重要版面,各大新媒體平臺用文字、視頻、動畫等方式,通過媒體等渠道,進行引力波的全方位解讀,形成多年來少見的一次科普傳播熱潮。作為非專業領域的研究人員,普通公眾對深奧莫測的引力波,其實是「只聞其名,不明其意」。

之所以有如此廣泛的社會關注度,很大程度與科學偉人愛因斯坦有關。儘管已經離世61年,愛因斯坦與他標誌性的相對論理論,藉助引力波的強力推動,再次回到公眾的視野中。

1廣義相對論的靈感火花閃現

1905年被譽為「愛因斯坦奇蹟年」,愛因斯坦連續發表光量子說、分子大小測定法、布朗運動理論、狹義相對論等重要論文,開啟現代物理學的新篇章。不過,此後幾年間,愛因斯坦依舊是瑞士伯爾尼專利局默默無聞的專利審查員。正如牛頓被樹上掉落的蘋果砸中,啟發研究物體的自由落體運動,最終創立萬有引力學說,愛因斯坦的廣義相對論和引力波的靈感產生也有一段科學逸聞。

1922年,愛因斯坦回憶廣義相對論的創立時說:「1907年底某一天,當時我正坐在伯爾尼專利局辦公室裡,突然閃現了一個念頭:如果人正在自由下落,他不會感到他有重量,它把我引向引力理論。」想像自由落體者處在一個密閉空間中,比如自由墜落的升降機,他會感到失重,拋出的任何物體都會與他一起漂浮。他將無法通過實驗來辨別,自己所處的密閉空間是做自由落體運動,還是在外太空無重力區域漂浮,這是科學史上著名的「愛因斯坦電梯實驗」的最初來源。

愛因斯坦想像這個人仍在同一個密閉空間裡,處於沒有重力的外太空中。此時有一個恆力將密閉空間以某一加速度向上拉升,他會感到自己的腳被壓到地板上。如果拋出一個物體,物體將會以加速運動落在地板上,就如同他站在地球上一樣。他無法區分自己是受到引力的作用,還是受到向上加速度的作用,愛因斯坦稱為「等效原理」。

等效原理是廣義相對論的第一個基本原理,由於慣性質量同引力質量相等,引力場對物體施加的作用,無法與加速運動產生的效果區分開來。1915年,時年36歲的愛因斯坦達到科學事業的巔峰,提出廣義相對論,改變我們對宇宙的理解。

2引力波研究的曲折歷史

引力波發現被譽為一項劃時代的科學成就,打開人類觀測宇宙的一個新窗口,有助於研究宇宙的起源和進化。

1916年,愛因斯坦論證引力的作用以波動的形式傳播。引力波最初只是一個理論構想,來源於方程式的推導,而非真實的實驗觀察。愛因斯坦認為,引力波輻射的能量很少,在所有能想得到的情況下,引力波的輻射都可以被忽略,無法被探測到。

1936年6月2日,物理評論編輯部收到由愛因斯坦和羅森署名的一篇來稿,稿件的標題為「引力波存在嗎?」面對這位科學大師的來稿,編輯部如獲至寶,認為這是一件莫大的榮幸。編輯部按照一貫的審稿規則,7月17日,審稿人寄回長達十頁的審稿意見,認為稿件有嚴重錯誤,必須修改。

自我感覺良好的愛因斯坦顯然沒有預料到這場意外,接到這封充滿善意的建議信,他失去了往常的溫文爾雅的大師風度。7月27日,他懷著一腔惱怒之火,給編輯部寄去一封火藥味十足的抗議信。面對這位科學權威的發難,物理評論編輯部依舊堅守原則,把稿件退回。

愛因斯坦將稿件投往另外一家不太著名的學術刊物,1937年1月富蘭克林研究所雜誌刊登這篇論文。慶幸的是,當愛因斯坦的頭腦冷靜下來,重新審視自己的研究論文,發現其中一處錯誤。他很快糾正這個錯誤,論文的標題也戲劇性地改為《論引力波》,肯定了引力波的存在,也算是科學史的一件趣聞。

「人非聖賢,孰能無過。」愛因斯坦在自己最擅長的相對論領域,也犯過其他一些錯誤。1916年,他構建引力在廣義相對論中起作用的理論,在方程式中引入宇宙學常數。由於他固守靜態宇宙的哲學信念,認為宇宙學常數抵消了宇宙中引力收縮的趨勢。不久,天文學家發現宇宙膨脹的證據。

3引力波新聞的後感

理解和學習科學被不少人當做一件頭疼的事,科學家作為知識分子的精英群體,更被視為智慧和真理的化身。

這次引力波傳播事件,不少媒體強調突出愛因斯坦的歷史作用,有媒體冠以「跨越百年的愛因斯坦禮物」等標題。如此片面渲染科學發現的個人英雄主義,忽視科學家團隊的集體與合作精神,削弱了科學家的人性形象,無形中使學生對科學與科學家敬而遠之。

愛因斯坦對此有清醒的認識,他曾經說:「我沒有特別的天賦,我只有強烈的好奇心。」

「我有時自問,怎麼偏偏是我創立了相對論呢?我認為原因如下:一個正常的成年人不見得會去思考空間和時間問題。他會認為這個問題早在孩童時代就搞清楚了。我則相反,智力發展得很慢,成年以後才開始思考空間和時間問題。很顯然,我對這些問題比兒童時期發育正常的人想得更深。」

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    提起愛因斯坦人們首先會想到他的相對論,而相對論又分為狹義和廣義,前者沒有將引力考慮在內,後者則革新了人類對引力的認知
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  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    上篇:《相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(上)》16不存在絕對運動馬赫對愛因斯坦創立狹義相對論的影響是非常巨大的。愛因斯坦在學生時代就讀過馬赫的《力學史評》,奧林匹亞科學院(大學剛畢業的愛因斯坦和幾位朋友創建的一個以科學和哲學的交界問題為主題的學習小組。
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    1916年6月,愛因斯坦發現時空彎曲的擾動可以是以光速傳播的波,這就是引力波。 所以時間和空間成為整體,即時空,體現了時空對稱性。 位置具有3個維度,時間成為第4個維度,基於伽利略變換的伽利略相對論被基於洛倫茲變換的愛因斯坦相對論取代。愛因斯坦還由此得出質量和能量的等效關係。 根據狹義相對論,由於因果律的限制,任何信號的傳輸不能超過光速。
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    不過,大多數物理學家仍然把寶押在愛因斯坦身上。引力的脈搏通過使用現有的先進儀器,天文學家得以首次研究宇宙中極端的引力事件,尋找檢驗相對論可能的突破點。目前,檢驗相對論的實驗幾乎都是在太陽系中進行的,但新的望遠鏡和探測器將幫助天文學家探測遠遠超出我們生活範圍的區域,探測在脈衝星周圍高度彎曲的時空中引力是如何作用的。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    愛因斯坦自己倒是很謙虛地說,這是因為他智力發育比較慢,所以,很多同齡人已經思考過的問題,他沒有想通。於是,他就繼續琢磨,這樣想問題就想得深入了一些。當然,愛因斯坦說他智力發育比較慢,你信嗎?這種慢,跟愛因斯坦的「智力發育比較慢」頗有些類似之處。18相對性原理好,回到正題。
  • 從引力波到黑洞,愛因斯坦百年前預測終被證實,還有蟲洞等待發現
    但是不知道各位有沒有想過,無論是去年剛被證實的引力波,還是現在的黑洞,其實都是在愛因斯坦一百年前發表的廣義相對論中就早已預測出來了。可直到一百年後的如今,我們也只是剛剛能夠通過當今最先進的科學工程技術來成功驗證愛因斯坦理論的準確性。那麼能在一百年前做出如此神預測的愛因斯坦到底有多牛呢?
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論
    那麼,愛因斯坦究竟是如何平定牛頓和麥克斯韋的戰爭的?他又是如何回答「麥克斯韋方程組是否滿足相對性原理?」這個靈魂拷問的呢?而很多東西一旦變成了常識,就很難再引起人們的注意,但是愛因斯坦一直對它們保持著警覺。愛因斯坦自己倒是很謙虛地說,這是因為他智力發育比較慢,所以,很多同齡人已經思考過的問題,他沒有想通。
  • 愛因斯坦說宇宙存在引力波,科學家花了40年的時間,證明了引力波
    可以書,愛因斯坦的研究對人類的文明有著巨大的推動作用。愛因斯坦所達成的成就,直到今天也沒有人能打破或者超過愛因斯坦。並且,現代科學界依然有不少科學家在研究著愛因斯坦的那些朝前的理論和猜想。要說愛因斯坦對人類科技進步有著巨大推動作用的理論還是在100多年前愛因斯坦所提出的相對論。相對論是愛因斯坦最偉大的成就之一。
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    愛因斯坦的廣義相對論(GR)在1915年提出、於1916年發表,這是關於引力場中物質運動的規律描述,而引力場是控制宇宙萬物的四個基本相互作用之一,有物質就產生引力場。諸如,地球上的蘋果為什麼下落?為什麼月球圍繞地球、地球圍繞太陽運動?這些就是萬有引力現象的案例。
  • 愛因斯坦和相對論,人類是如何計算來自110億光年外的深空信號的
    若讓你列舉幾個世界上的物理學大牛,即使是對科學領域一竅不通的人,必然也是張口就說,艾薩克.牛頓、阿爾伯特.愛因斯坦、霍金等等,但要問誰做的貢獻最大,我會選擇愛因斯坦。一個人創立了相對論理論,並對現代量子力學的發展,奠定了紮實的基礎。
  • 愛因斯坦又對了!在19億光年外的黑洞合併中,發現高次諧波引力波!
    這次觀測再次證實了愛因斯坦的廣義相對論,廣義相對論預言了這些高次諧波的存在,也就是說,引力波的頻率是目前觀測到基頻的兩到三倍。波茨坦阿爾伯特·愛因斯坦研究所「天體物理和宇宙相對論」部門主任、馬裡蘭大學學院公園教授亞歷山德拉·布南諾(Alessandra Buonanno)說:在O1和O2期間,研究人員觀察到了由恆星質量黑洞組成雙星群體的冰山一角。
  • 愛因斯坦與相對論的相愛相殺
    所以我懷著本能的好奇心去探求愛因斯坦和他相對論的故事。今天是我正式分享知識的第一天,我思前想後,考慮許久,決定從我兒時未盡的夢開始。相信許多人都有過當科學家的夢想,我也不例外,我是因為我兒時在母親懷裡聽故事時第一次聽到科學家這個詞然後對它充滿了無限聯想,雖然現在還是一名文科生,不過我還是擋不住我對物理學這座大廈的濃厚興趣,所以,我懷著本能的好奇心去探求愛因斯坦和他相對論的故事。