愛因斯坦:相對論,光電效應

愛因斯坦究竟對了嗎?

如果想問愛因斯坦對了嗎,首先就得知道愛因斯坦何許人也

大家想必都聽說過,他是一位非常偉大的物理學家。但是大家可能並不知道,他曾經被評為「世紀第一人」

這是2000年時代雜誌舉辦的一個評選,想選出上一個世紀,即整整100年裡對人類做出了最大貢獻、對人類影響最深遠的一個人。

當然上個世紀有很多事情、很多人,比如發生過兩次世界大戰,也湧現出很多人物。

經過評選,我們一致認為,愛因斯坦可以成為當之無愧的世紀第一人。

他被評為了Person of the Century,即所謂的世紀第一人。

愛因斯坦的奇蹟年

他究竟做了什麼事情呢?這就得從1905年說起。

那時的愛因斯坦其實不太得意,他的工作也沒找好,在一個專利局裡當小職員。平時有點小愛好,喜歡推物理公式,工作之餘算一算東西。

1905年,他破天荒地發表了幾篇文章,人們後來發現這幾個工作非常經典,對我們非常重要。

其中有三個比較重要的工作,第一個是布朗運動

他看著水裡的一些花粉漂來漂去,由此推出水是由分子組成的,物質是由分子、原子組成的。

這是一個偉大的結論,一個對世界更深一層的認識。

第二個工作叫做光電效應,就是研究光的。

光照來照去,那麼它到底是波還是粒子呢?

於是愛因斯坦就提出,光可以是粒子,也就是所謂的光量子。這個相對於當時的其他物理學家們,提前了很多年,並且有很清晰的量子物理圖像

第三個非常重要的成果,叫做狹義相對論

這三個成果之中,第二個成果讓愛因斯坦拿到了一個「小獎」,叫做諾貝爾物理學獎

可是在這三個工作中,被大家認為最重要的,是狹義相對論

狹義相對論究竟是一個什麼樣的理論?這就要從當時的歷史情景講起。

當時物理學界有一個權威人物叫牛頓,愛因斯坦可能是去聽了一場報告,叫做「牛頓對了嗎」。

當時牛頓有很多理論非常重要,但它們背後有一個非常深刻的假設,就是他的時空觀。

時空是什麼?

時:時間,連綿不絕。空:空間,無限擴展。

牛頓認為時間和空間是絕對的,而且是互不相干的,這跟我們所認為的時空非常類似,我們就生活在這樣的一個時空裡面,我們在時空裡運動。

可是愛因斯坦認為當時的一個測光速的實驗,就是一束光照向你,你朝著光束跑,和你跟著光束在同一個方向一起跑、逆著跑,測到的光速是一樣的,總是測不出來差別。

如果是牛頓的時空觀,朝著光速跑的時候,應該測到更大的光速,跟光速一起跑的時候,測到的光速會小一點。

可是不是實驗告訴我們,它們是一樣的?

正是基於這一點,愛因斯坦非常敏銳地意識到,光速是不變的,光速就是一個常數。

愛因斯坦提出這一點後,對牛頓的時空觀產生了一個非常大的挑戰,從而他提出了狹義相對論。

狹義相對論被愛因斯坦提出來後,它對了嗎?

在物理學中,對與不對不是由權威說了算的。

物理學是一門實驗科學,需要通過做實驗,去研究它對還是不對,跟實驗相符的就有可能對,跟實驗不相符的肯定是錯的。

舉一個簡單的例子,愛因斯坦的狹義相對論裡有一個著名的推論,叫做質量能量轉化關係,就是質量可以轉化為能量。它的質量大的話,可能能量也大。

但這個東西到底對不對,是需要經過實驗檢驗的。

實驗檢驗有很多種,比如核彈的爆炸,其實就是利用了能量質量轉化關係。

還有核能發電廠,也是利用了能量質量關係。這些關係現在都已經可以檢驗到,精度非常高。

所以狹義相對論相對於牛頓的絕對時空觀來說,是一門更加先進的、正確的理論,它也在物理學界得到了非常好的評價。

德布羅意先生就評價狹義相對論像光彩奪目的火箭,在黑暗的夜空中,突然劃出一道短促而又十分強烈的光輝,照亮了廣闊的未知領域。

可是,愛因斯坦得到狹義相對論後並不滿足,他又在想,狹義相對論挺好,可是是不是還有什麼問題?

比如他發現他的狹義相對論跟牛頓的引力理論在數學上是不相符的,這是需要解釋的。不相符,可能有一個錯了,或者兩個都是錯的。

大家知道,牛頓的引力理論是非常深入人心的。比如蘋果從樹上往地上落,月亮繞著地球轉,天與地的事情都歸它管,它是一個管天和地的理論。

如果說它是錯的,就需要有更加強的證據來說明這件事情。

愛因斯坦發現,狹義相對論與牛頓引力不相符,他想要解釋這個矛盾,這件事情並不被十分看好。

當時有一個叫普朗克的人,他相當於一個前輩。

他碰到愛因斯坦時說:哎呀,愛因斯坦,你做的狹義相對論太好了,非常好,我每天可能都要用一用。可是現在一切都解釋明白了,你為什麼還在忙於另一個問題呢?

思想晚餐

已完成:40% //////////

十年磨一劍之廣義相對論

另一個問題就是引力問題,愛因斯坦並沒有因此感到沮喪,而是接著做這方面的研究,整整做了10年,從1905年做到1915年。

他終於把這個矛盾解決了,提出了一套廣義相對論的引力理論。這套理論非常厲害,它把時空和物質非常完整地結合起來。

他認為有時空就應該有物質,有物質才會有時空。這是一套非常顛覆人類對時間和空間認識的理論。

對這套理論比較好的總結是:時空告訴物質怎麼去運動。

在這張圖中大家可以看到,因為這個小球是物質,它在動,導致時空彎曲,另外,時空告訴物質怎麼去運動。這是一套關於時空與物質相互作用的引力理論。

給大家解釋一個上世紀最深刻的思想,沒有之一 ,叫做等效原理

愛因斯坦是第一個把這個東西看得非常高的人,這個問題是這樣的,愛因斯坦站在秤上想稱稱體重 ,他看到有一個體重數。

扔一個球,球會往下掉,因為有引力,放到火星上可能輕一點,但是也有引力。

有一個好事之徒做了一件事,他把愛因斯坦、秤和球同時往下扔。

愛因斯坦還是站在秤上,球還是在往下掉,但是愛因斯坦看這個球沒有往下掉,因為他在和球一起往下掉,而且他看體重器沒有體重,因為秤在和他一起往下掉。

這時,愛因斯坦、秤和球處於一個叫做慣性系的參考系。

相反,愛因斯坦站在地上稱體重,是非慣性系,那麼引力與非慣性系就被等價起來了。

這在數學上可以證明,就意味著時空是彎曲的。

當然 ,愛因斯坦後來想明白了這件事情,在他寫傳記時,把這件事情稱為他一輩子中最美的時光,The happiest moment。

大家可以想一想,為什麼這件事情如此震撼了愛因斯坦?

愛因斯坦在76歲過生日時,有人可能忘了準備禮物,就隨手給愛因斯坦弄了一個東西。

可能是一個一次性紙杯,下面做一個回形針,然後拴一根有彈性的繩子,掛兩個有重量的球。

這個東西很簡單,反正放在桌子上,就像左邊圖的樣子,但是這個時候它不是最自然的狀態,繩子被拉伸了,它最自然的狀態應該是往回縮,怎麼往回縮呢?

把它往下一放,在這個下落的過程中,你可以看到,這根繩子很快就把球縮回去了,它又處於一個最自然的狀態。

也就是說它受引力時,在一個非慣性系裡,做自由落體時,在一個慣性系裡。

這是一個非常深刻的思想,愛因斯坦當時也對這個禮物非常滿意。

這個東西在科幻作品中也有體現,比如太空漫遊,有人在艙板上跑步,可是這時不是應該失重嗎?怎麼能在艙板上跑步呢?

很簡單,有一個環形的太空船把它轉起來,轉起來後就會有一個叫做離心力的力,它就是一個非慣性系,是所謂的人造引力,有了引力就可以跑步了。

楊振寧先生說過一句話:二十世紀物理學有三個大的貢獻,其中兩個半是愛因斯坦的。兩個指的是狹義相對論和廣義相對論,半個指的是光電效應

思想晚餐

已完成:60% //////////

科學具有可證偽性

當然,有很多藝術學家也對時空彎曲有自己的解釋,他們做出了非常漂亮的藝術作品。

可是,愛因斯坦的廣義相對論不是一門非常簡單的理論,剛才只是給大家講了一個最核心的思想。這件事情可以從一位記者問愛丁頓爵士的問題中體現出來。

愛丁頓爵士是世界上第一個測量光線偏折的科學家。當時有一個記者問他:愛丁頓爵士,聽說這個世界上只有三個人懂愛因斯坦的廣義相對論。

愛丁頓一愣,除了我和愛因斯坦,誰是第三個呢?

從這件事中可以看到,廣義相對論是非常難的。

還有一個很有意思的問題,就是費曼的故事。

費曼是美國著名的物理學家,也拿過諾貝爾物理學獎。

有一次,他去開一個相對論的會,到了會場,下了飛機以後忘記了地址。

他就找到一個計程車司機問:你有沒有看到這樣一群人,他們腦袋抬得高高的,對周圍的事和人都不關心,嘴巴里總是說著gee-mu-nu,gee-mu-nu,…?

那個司機一聽,馬上把他送到了正確的地方

那個司機一聽,馬上把他送到了正確的地方。

gee-mu-nu是什麼呢?

就是廣義相對論中描述時空特徵的量,這是一個非常有意思的團體。

科學具有可證偽性,愛因斯坦這回又對了嗎?

比如在太陽系中,我們可以通過各種實驗去檢驗愛因斯坦的各種理論。在太陽系中,引力非常弱,愛因斯坦的引力理論與牛頓引力理論相差只在百萬分之一。

但我們的探測精度非常高,能夠達到比這個精度更高的量級,所以能夠去檢驗微小的偏離。在這個微小的偏離上,愛因斯坦的廣義相對論完勝牛頓引力。

還有大家經常用的GPS全球定位系統,裡面就有相對論效應

如果不考慮狹義相對論效應,那麼一天便會有兩公里的偏差,如果不考慮廣義相對論效應,一天就會有14公里的偏差。

那麼愛因斯坦就對了嗎?這麼高的精度的檢驗就對了嗎?他是不是什麼地方都對了?

不一定。

我們又把眼睛望向了遙遠的星空,我們要做更加極端一點的事情,比如我們要考察一個叫做中子星的東西。

中子星的質量比太陽要大一點,它的大小有海淀區這麼大,非常小,所以它的密度非常高。

拿勺子裝一勺中子星的物質,這個物質的重量就比全球人的重量加起來還要多,是非常緻密的一類物體,引力場也非常強,所以是一個檢驗引力的非常好的地方。

比如它在空中會像燈塔一樣轉,會被我們觀測到,每轉一圈都會被觀測到,這是一個非常可靠的穩定轉動的鐘。

我們的探測需要用專業級的大型望遠鏡去看。

這是建在中國貴州的中國天眼FAST望遠鏡,可以看到脈衝星,這是它的一個非常重要的科學研究目標。

脈衝星是一堆鍾在時空中分佈,這堆鍾又可以通過這些大型的射電望遠鏡聯繫起來,形成所謂的脈衝星測時陣列,這樣的陣列可以探測引力波。

愛因斯坦在1916年自己算出了引力波,過了幾年他又反悔了,說沒有引力波,他算錯了。

愛因斯坦問,愛因斯坦對了嗎?

過了幾年,他又發現算對了。又問,愛因斯坦對了嗎?

這是一種非常好的習慣,不僅是對權威有質疑,對自身也有質疑,這種習慣在科學中是非常重要的素質。

我們現在其實已經測到引力波了,我們在2015年9月14號測到了引力波,那時我也加入了他們的合作組,當時非常激動 ,我們用了非常長的時間去做這件事情。

這是測到引力波的望遠鏡,這是在美國的有兩根臂長分別是4公里的引力波探測器。

這是人類所看到的第一例引力波事例,它非常微小需要非常精確的探測技術才能測到它。

其實我們第一例測到的引力波探測的事例是來自於黑洞的,黑洞是另外一個非常神奇的愛因斯坦的廣義相對論預言的天體,它是時空非常扭曲的一種狀態。

去年,事件視界望遠鏡拍到了黑洞的第一張照片,也是對愛因斯坦廣義相對論的一次直接的檢驗。

我也是事件視界望遠鏡合作組的成員,非常有幸,我們在很高的精度上,不僅測到了雙黑洞併合的事例,也測到了雙中子星併合的狀態。

這個併合狀態過程對我們非常重要,因為它生成的一些元素,是地球和太陽系所不可或缺的元素。

愛因斯坦在1955年逝世了,當時他的遺囑執行者唸了一首詩來緬懷他。

他說:我們全都獲益不淺,全世界都感謝他的教誨,專屬於他個人的東西,早已傳遍廣大人群,他將像行將隕滅的彗星,光華四射,同他的光芒永相結合。

思想晚餐

已完成:90% //////////

留住孩子的好奇心

愛因斯坦就是這樣一位世紀偉人。但是愛因斯坦如何評價他自己呢?

他很謙虛地說:我沒有特殊的才賦,我只是非常好奇罷了。

敢於挑戰權威,有一顆充滿好奇的心,這是我們現在,非常稀缺的一種品質。

那愛因斯坦對了嗎?

愛因斯坦的理論到現在為止,在我們的檢驗上沒有出現偏差或偏離,在現在的實驗精度上,愛因斯坦是對的。

但我們的技術也在發展,可能什麼時候他也會錯,就像牛頓的萬有引力一樣,它在很小的範圍內偏離愛因斯坦的理論,最後被愛因斯坦的理論所取代。

在理論上來說,愛因斯坦的廣義相對論還存在一些問題。

比如它不能解釋的黑洞奇點問題,以及它不能融入量子時空的問題,還有暗物質、暗能量,現在我們還不知道是什麼。

所以我們這個時代也需要能夠挑戰權威、能夠提出問題的人。提問是非常重要的,就像我們做研究的人,經常看到的一幅圖。

這個白色的圈,表示人類的知識,我們做研究,是專門鑽一個很小的點,使勁鑽,最後能做出什麼呢?

可能鑽了一個非常小的點,但是這個點是人類全新的知識,它將永遠被流傳下去。

在這個過程中,好奇心非常重要,它驅使你能夠做這件事情,這件非常不好做的事情,它是不容易做的事情的原初動力。

所以大家一定要好好地留住孩子們的好奇心。

相關文章

你也能懂的質能方程E=mc²

你也能懂的質能方程E=mc²

提到愛因斯坦,很多人的第一反應就是E=mc²。 沒辦法,質能方程看起來「太簡單」了:左邊的E代表能量,右邊的m代表質量,c是光速,都是中學生...

數學家發現一種神奇的十三邊形!

數學家發現一種神奇的十三邊形!

在日常生活中,除了在裝修房子時需要考慮平鋪瓷磚之外,我們很少會花心思關心平面「鋪砌」(tiling)這件事。但對數學家來說,鋪砌與許多難題有...

相對論前夜:牛頓和麥克斯韋的戰爭

相對論前夜:牛頓和麥克斯韋的戰爭

為了給狹義相對論作鋪墊,我專門寫了三篇麥克斯韋方程組的文章,為了讓中小學生能更好理解麥克斯韋方程組,我又補了一篇微積分,現在終於可以正式談狹...

光到底是什麼?

光到底是什麼?

愛因斯坦說:「提出問題比解決問題更重要。」 天才愛因斯坦劇照(S01E10) 在科學領域,一個好的問題甚至能夠推動整個學科的發展! 說到這,...

相對論前夜:牛頓和馬克士威的戰爭

相對論前夜:牛頓和馬克士威的戰爭

為什麼講狹義相對論要先講電磁理論呢? 愛因斯坦發表狹義相對論的論文叫《論動體的電動力學》,一般電動力學教材的最後一章也會講狹義相對論。這一來...

時間真的會「流逝」嗎?

時間真的會「流逝」嗎?

凡是具有天然運動和生死的,都有一個循環。這是因為任何事物都是由時間辨別,都好像根據一個週期開始和結束;因此,甚至時間本身也被認為是個循環。 ...

改變世界的17個方程式,你認識幾個?

改變世界的17個方程式,你認識幾個?

數學公式是個很奇妙的東西,它潛藏在我們身邊,又不易被察覺。它無比簡潔,卻能夠描述大千世界。 從無線電廣播到智慧手機,從地圖測繪到衛星導航,從...

100多年後,仍是最成功的理論

100多年後,仍是最成功的理論

143年前,1879年3月14日,德意志南部小城烏爾姆的一個猶太家庭迎來了一個新生命,取名阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein...

楊振寧:54張撲克大統一理論

楊振寧:54張撲克大統一理論

1 上帝的牌局 上帝、牛頓、愛因斯坦、玻爾組成牌局。 牛頓說:我發現了力學定律和萬有引力,洞悉了宇宙之秘。 上帝笑而不語,看了看愛因斯坦一眼...

從普朗克到普朗克

從普朗克到普朗克

如果盤點20世紀貢獻最突出的物理學家,馬克斯·普朗克必然在列。1900年,普朗克發表黑體輻射公式,假設能量只能以離散的「量子」形式釋放,標誌...