文章來(lái)源：格致論道講壇
“我們?nèi)极@益不淺，全世界都感謝他的教誨，專(zhuān)屬于他個(gè)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(jié)合。”
邵立晶
北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所研究員
愛(ài)因斯坦究竟對(duì)了嗎？
如果想問(wèn)愛(ài)因斯坦對(duì)了嗎，首先就得知道愛(ài)因斯坦何許人也。
大家想必都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，他是一位非常偉大的物理學(xué)家。但是大家可能并不知道，他曾經(jīng)被評(píng)為“世紀(jì)第一人”。
這是2000年時(shí)代雜志舉辦的一個(gè)評(píng)選，想選出上一個(gè)世紀(jì)，即整整100年里對(duì)人類(lèi)做出了最大貢獻(xiàn)、對(duì)人類(lèi)影響最深遠(yuǎn)的一個(gè)人。
當(dāng)然上個(gè)世紀(jì)有很多事情、很多人，比如發(fā)生過(guò)兩次世界大戰(zhàn)，也涌現(xiàn)出很多人物。
經(jīng)過(guò)評(píng)選，我們一致認(rèn)為，愛(ài)因斯坦可以成為當(dāng)之無(wú)愧的世紀(jì)第一人。
他被評(píng)為了Person?of?the?Century，即所謂的世紀(jì)第一人。
愛(ài)因斯坦的奇跡年
他究竟做了什么事情呢？這就得從1905年說(shuō)起。
那時(shí)的愛(ài)因斯坦其實(shí)不太得意，他的工作也沒(méi)找好，在一個(gè)專(zhuān)利局里當(dāng)小職員。平時(shí)有點(diǎn)小愛(ài)好，喜歡推物理公式，工作之余算一算東西。
1905年，他破天荒地發(fā)表了幾篇文章，人們后來(lái)發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)工作非常經(jīng)典，對(duì)我們非常重要。
其中有三個(gè)比較重要的工作，第一個(gè)是布朗運(yùn)動(dòng)。
他看著水里的一些花粉漂來(lái)漂去，由此推出水是由分子組成的，物質(zhì)是由分子、原子組成的。
這是一個(gè)偉大的結(jié)論，一個(gè)對(duì)世界更深一層的認(rèn)識(shí)。
第二個(gè)工作叫做光電效應(yīng)，就是研究光的。
光照來(lái)照去，那么它到底是波還是粒子呢？
于是愛(ài)因斯坦就提出，光可以是粒子，也就是所謂的光量子。這個(gè)相對(duì)于當(dāng)時(shí)的其他物理學(xué)家們，提前了很多年，并且有很清晰的量子物理圖像。
第三個(gè)非常重要的成果，叫做狹義相對(duì)論。
這三個(gè)成果之中，第二個(gè)成果讓愛(ài)因斯坦拿到了一個(gè)“小獎(jiǎng)”，叫做諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#可是在這三個(gè)工作中，被大家認(rèn)為最重要的，是狹義相對(duì)論。
狹義相對(duì)論究竟是一個(gè)什么樣的理論？這就要從當(dāng)時(shí)的歷史情景講起。
當(dāng)時(shí)物理學(xué)界有一個(gè)權(quán)威人物叫牛頓，愛(ài)因斯坦可能是去聽(tīng)了一場(chǎng)報(bào)告，叫做“牛頓對(duì)了嗎”。
當(dāng)時(shí)牛頓有很多理論非常重要，但它們背后有一個(gè)非常深刻的假設(shè)，就是他的時(shí)空觀。
時(shí)空是什么？
時(shí)：時(shí)間，連綿不絕?？眨嚎臻g，無(wú)限擴(kuò)展。
牛頓認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的，而且是互不相干的，這跟我們所認(rèn)為的時(shí)空非常類(lèi)似，我們就生活在這樣的一個(gè)時(shí)空里面，我們?cè)跁r(shí)空里運(yùn)動(dòng)。
可是愛(ài)因斯坦認(rèn)為當(dāng)時(shí)的一個(gè)測(cè)光速的實(shí)驗(yàn)，就是一束光照向你，你朝著光束跑，和你跟著光束在同一個(gè)方向一起跑、逆著跑，測(cè)到的光速是一樣的，總是測(cè)不出來(lái)差別。
如果是牛頓的時(shí)空觀，朝著光速跑的時(shí)候，應(yīng)該測(cè)到更大的光速，跟光速一起跑的時(shí)候，測(cè)到的光速會(huì)小一點(diǎn)。
可是不是實(shí)驗(yàn)告訴我們，它們是一樣的？
正是基于這一點(diǎn)，愛(ài)因斯坦非常敏銳地意識(shí)到，光速是不變的，光速就是一個(gè)常數(shù)。
愛(ài)因斯坦提出這一點(diǎn)后，對(duì)牛頓的時(shí)空觀產(chǎn)生了一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，從而他提出了狹義相對(duì)論。
狹義相對(duì)論被愛(ài)因斯坦提出來(lái)后，它對(duì)了嗎？
在物理學(xué)中，對(duì)與不對(duì)不是由權(quán)威說(shuō)了算的。
物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，需要通過(guò)做實(shí)驗(yàn)，去研究它對(duì)還是不對(duì)，跟實(shí)驗(yàn)相符的就有可能對(duì)，跟實(shí)驗(yàn)不相符的肯定是錯(cuò)的。
舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論里有一個(gè)著名的推論，叫做質(zhì)量能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，就是質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。它的質(zhì)量大的話，可能能量也大。
但這個(gè)東西到底對(duì)不對(duì)，是需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的。
實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)有很多種，比如核彈的爆炸，其實(shí)就是利用了能量質(zhì)量轉(zhuǎn)化關(guān)系。
還有核能發(fā)電廠，也是利用了能量質(zhì)量關(guān)系。這些關(guān)系現(xiàn)在都已經(jīng)可以檢驗(yàn)到，精度非常高。
所以狹義相對(duì)論相對(duì)于牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀來(lái)說(shuō)，是一門(mén)更加先進(jìn)的、正確的理論，它也在物理學(xué)界得到了非常好的評(píng)價(jià)。
德布羅意先生就評(píng)價(jià)狹義相對(duì)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(qiáng)烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域。
可是，愛(ài)因斯坦得到狹義相對(duì)論后并不滿足，他又在想，狹義相對(duì)論挺好，可是是不是還有什么問(wèn)題？
比如他發(fā)現(xiàn)他的狹義相對(duì)論跟牛頓的引力理論在數(shù)學(xué)上是不相符的#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#，這是需要解釋的。不相符，可能有一個(gè)錯(cuò)了，或者兩個(gè)都是錯(cuò)的。
大家知道，牛頓的引力理論是非常深入人心的。比如蘋(píng)果從樹(shù)上往地上落，月亮繞著地球轉(zhuǎn)，天與地的事情都?xì)w它管，它是一個(gè)管天和地的理論。
如果說(shuō)它是錯(cuò)的，就需要有更加強(qiáng)的證據(jù)來(lái)說(shuō)明這件事情。
愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，狹義相對(duì)論與牛頓引力不相符，他想要解釋這個(gè)矛盾，這件事情并不被十分看好。
當(dāng)時(shí)有一個(gè)叫普朗克的人，他相當(dāng)于一個(gè)前輩。
他碰到愛(ài)因斯坦時(shí)說(shuō)：哎呀，愛(ài)因斯坦，你做的狹義相對(duì)論太好了，非常好，我每天可能都要用一用。可是現(xiàn)在一切都解釋明白了，你為什么還在忙于另一個(gè)問(wèn)題呢？
十年磨一劍之廣義相對(duì)論
另一個(gè)問(wèn)題就是引力問(wèn)題，愛(ài)因斯坦并沒(méi)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。
他終于把這個(gè)矛盾解決了，提出了一套廣義相對(duì)論的引力理論。這套理論非常厲害，它把時(shí)空和物質(zhì)非常完整地結(jié)合起來(lái)。
他認(rèn)為有時(shí)空就應(yīng)該有物質(zhì)，有物質(zhì)才會(huì)有時(shí)空。這是一套非常顛覆人類(lèi)對(duì)時(shí)間和空間認(rèn)識(shí)的理論。
對(duì)這套理論比較好的總結(jié)是：時(shí)空告訴物質(zhì)怎么去運(yùn)動(dòng)。
在這張圖中大家可以看到，因?yàn)檫@個(gè)小球是物質(zhì)，它在動(dòng)，導(dǎo)致時(shí)空彎曲，另外，時(shí)空告訴物質(zhì)怎么去運(yùn)動(dòng)。這是一套關(guān)于時(shí)空與物質(zhì)相互作用的引力理論。
給大家解釋一個(gè)上世紀(jì)最深刻的思想，沒(méi)有之一 ，叫做等效原理。
愛(ài)因斯坦是第一個(gè)把這個(gè)東西看得非常高的人，這個(gè)問(wèn)題是這樣的，愛(ài)因斯坦站在秤上想稱(chēng)稱(chēng)體重 ，他看到有一個(gè)體重?cái)?shù)。
扔一個(gè)球，球會(huì)往下掉，因?yàn)橛幸Γ诺交鹦巧峡赡茌p一點(diǎn)，但是也有引力。
有一個(gè)好事之徒做了一件事，他把愛(ài)因斯坦、秤和球同時(shí)往下扔。
愛(ài)因斯坦還是站在秤上，球還是在往下掉，但是愛(ài)因斯坦看這個(gè)球沒(méi)有往下掉，因?yàn)樗诤颓蛞黄鹜碌?，而且他看體重器沒(méi)有體重，因?yàn)槌釉诤退黄鹜碌簟?/span>
這時(shí)，愛(ài)因斯坦、秤和球處于一個(gè)叫做慣性系的參考系。
相反，愛(ài)因斯坦站在地上稱(chēng)體重，是非慣性系，那么引力與非慣性系就被等價(jià)起來(lái)了。
這在數(shù)學(xué)上可以證明，就意味著時(shí)空是彎曲的。
當(dāng)然 ，愛(ài)因斯坦后來(lái)想明白了這件事情，在他寫(xiě)傳記時(shí)，把這件事情稱(chēng)為他一輩子中最美的時(shí)光，The happiest moment。
大家可以想一想，為什么這件事情如此震撼了愛(ài)因斯坦？
#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#愛(ài)因斯坦在76歲過(guò)生日時(shí)，有人可能忘了準(zhǔn)備禮物，就隨手給愛(ài)因斯坦弄了一個(gè)東西。
可能是一個(gè)一次性紙杯，下面做一個(gè)回形針，然后拴一根有彈性的繩子，掛兩個(gè)有重量的球。
這個(gè)東西很簡(jiǎn)單，反正放在桌子上，就像左邊圖的樣子，但是這個(gè)時(shí)候它不是最自然的狀態(tài)，繩子被拉伸了，它最自然的狀態(tài)應(yīng)該是往回縮，怎么往回縮呢？
把它往下一放，在這個(gè)下落的過(guò)程中，你可以看到，這根繩子很快就把球縮回去了，它又處于一個(gè)最自然的狀態(tài)。
也就是說(shuō)它受引力時(shí)，在一個(gè)非慣性系里，做自由落體時(shí)，在一個(gè)慣性系里。
這是一個(gè)非常深刻的思想，愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)也對(duì)這個(gè)禮物非常滿意。
這個(gè)東西在科幻作品中也有體現(xiàn)，比如太空漫游，有人在艙板上跑步，可是這時(shí)不是應(yīng)該失重嗎？怎么能在艙板上跑步呢？
很簡(jiǎn)單，有一個(gè)環(huán)形的太空船把它轉(zhuǎn)起來(lái)，轉(zhuǎn)起來(lái)后就會(huì)有一個(gè)叫做離心力的力，它就是一個(gè)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(shuō)過(guò)一句話：二十世紀(jì)物理學(xué)有三個(gè)大的貢獻(xiàn)，其中兩個(gè)半是愛(ài)因斯坦的。兩個(gè)指的是狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，半個(gè)指的是光電效應(yīng)。
科學(xué)具有可證偽性
當(dāng)然，有很多藝術(shù)學(xué)家也對(duì)時(shí)空彎曲有自己的解釋?zhuān)麄冏龀隽朔浅Ｆ恋乃囆g(shù)作品。
可是，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論不是一門(mén)非常簡(jiǎn)單的理論，剛才只是給大家講了一個(gè)最核心的思想。這件事情可以從一位記者問(wèn)愛(ài)丁頓爵士的問(wèn)題中體現(xiàn)出來(lái)。
愛(ài)丁頓爵士是世界上第一個(gè)測(cè)量光線偏折的科學(xué)家。當(dāng)時(shí)有一個(gè)記者問(wèn)他：愛(ài)丁頓爵士，聽(tīng)說(shuō)這個(gè)世界上只有三個(gè)人懂愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。
愛(ài)丁頓一愣，除了我和愛(ài)因斯坦，誰(shuí)是第三個(gè)呢？
從這件事中可以看到，廣義相對(duì)論是非常難的。
還有一個(gè)很有意思的問(wèn)題，就是費(fèi)曼的故事。
費(fèi)曼是美國(guó)著名的物理學(xué)家，也拿過(guò)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
有一次，他去開(kāi)一個(gè)相對(duì)論的會(huì)，到了會(huì)場(chǎng)，下了飛機(jī)以后忘記了地址。
他就找到一個(gè)出租車(chē)司機(jī)問(wèn)：你有沒(méi)有看到這樣一群人，他們腦袋抬得高高的，對(duì)周?chē)氖潞腿硕疾魂P(guān)心，嘴巴里總是說(shuō)著gee-mu-nu，gee-mu-nu，。。。？
那個(gè)司機(jī)一聽(tīng)，馬上把他送到了正確的地方。
gee-mu-nu是什么呢？
就是廣義相對(duì)論中描述時(shí)空特征的量#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#，這是一個(gè)非常有意思的團(tuán)體。
科學(xué)具有可證偽性，愛(ài)因斯坦這回又對(duì)了嗎？
比如在太陽(yáng)系中，我們可以通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦的各種理論。在太陽(yáng)系中，引力非常弱，愛(ài)因斯坦的引力理論與牛頓引力理論相差只在百萬(wàn)分之一。
但我們的探測(cè)精度非常高，能夠達(dá)到比這個(gè)精度更高的量級(jí)，所以能夠去檢驗(yàn)微小的偏離。在這個(gè)微小的偏離上，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論完勝牛頓引力。
還有大家經(jīng)常用的GPS全球定位系統(tǒng)，里面就有相對(duì)論效應(yīng)。
如果不考慮狹義相對(duì)論效應(yīng)，那么一天便會(huì)有兩公里的偏差，如果不考慮廣義相對(duì)論效應(yīng)，一天就會(huì)有14公里的偏差。
那么愛(ài)因斯坦就對(duì)了嗎？這么高的精度的檢驗(yàn)就對(duì)了嗎？他是不是什么地方都對(duì)了？
不一定。
我們又把眼睛望向了遙遠(yuǎn)的星空，我們要做更加極端一點(diǎn)的事情，比如我們要考察一個(gè)叫做中子星的東西。
中子星的質(zhì)量比太陽(yáng)要大一點(diǎn)，它的大小有海淀區(qū)這么大，非常小，所以它的密度非常高。
拿勺子裝一勺中子星的物質(zhì)，這個(gè)物質(zhì)的重量就比全球人的重量加起來(lái)還要多，是非常致密的一類(lèi)物體，引力場(chǎng)也非常強(qiáng)，所以是一個(gè)檢驗(yàn)引力的非常好的地方。
比如它在空中會(huì)像燈塔一樣轉(zhuǎn)，會(huì)被我們觀測(cè)到，每轉(zhuǎn)一圈都會(huì)被觀測(cè)到，這是一個(gè)非常可靠的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的鐘。
我們的探測(cè)需要用專(zhuān)業(yè)級(jí)的大型望遠(yuǎn)鏡去看。
這是建在中國(guó)貴州的中國(guó)天眼FAST望遠(yuǎn)鏡，可以看到脈沖星，這是它的一個(gè)非常重要的科學(xué)研究目標(biāo)。
脈沖星是一堆鐘在時(shí)空中分布，這堆鐘又可以通過(guò)這些大型的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)系起來(lái)，形成所謂的脈沖星測(cè)時(shí)陣列，這樣的陣列可以探測(cè)引力波。
愛(ài)因斯坦在1916年自己算出了引力波，過(guò)了幾年他又反悔了，說(shuō)沒(méi)有引力波，他算錯(cuò)了。
愛(ài)因斯坦問(wèn)，愛(ài)因斯坦對(duì)了嗎？
過(guò)了幾年，他又發(fā)現(xiàn)算對(duì)了。又問(wèn)，愛(ài)因斯坦對(duì)了嗎？
這是一種非常好的習(xí)慣，不僅是對(duì)權(quán)威有質(zhì)疑，對(duì)自身也有質(zhì)疑，這種習(xí)慣在科學(xué)中是非常重要的素質(zhì)。
我們現(xiàn)在其實(shí)已經(jīng)測(cè)到引力波了，我們?cè)?015年9月14號(hào)測(cè)到了引力波，那時(shí)我也加入了他們的合作組，當(dāng)時(shí)非常激動(dòng) ，我們用了非常長(zhǎng)的時(shí)間去做這件事情。
這是測(cè)到引力波的望遠(yuǎn)鏡，這是在美國(guó)的有兩根臂長(zhǎng)分別是4公里的引力波探測(cè)器。
#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#這是人類(lèi)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(cè)技術(shù)才能測(cè)到它。
其實(shí)我們第一例測(cè)到的引力波探測(cè)的事例是來(lái)自于黑洞的，黑洞是另外一個(gè)非常神奇的愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言的天體，它是時(shí)空非常扭曲的一種狀態(tài)。
去年，事件視界望遠(yuǎn)鏡拍到了黑洞的第一張照片，也是對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一次直接的檢驗(yàn)。
我也是事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組的成員，非常有幸，我們?cè)诤芨叩木壬希?span style="">不僅測(cè)到了雙黑洞并合的事例，也測(cè)到了雙中子星并合的狀態(tài)。
這個(gè)并合狀態(tài)過(guò)程對(duì)我們非常重要，因?yàn)?span style="">它生成的一些元素，是地球和太陽(yáng)系所不可或缺的元素。
愛(ài)因斯坦在1955年逝世了，當(dāng)時(shí)他的遺囑執(zhí)行者念了一首詩(shī)來(lái)緬懷他。
他說(shuō)：我們?nèi)极@益不淺，全世界都感謝他的教誨，專(zhuān)屬于他個(gè)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(jié)合。
思想晚餐
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留住孩子的好奇心
愛(ài)因斯坦就是這樣一位世紀(jì)偉人。但是愛(ài)因斯坦如何評(píng)價(jià)他自己呢？
他很謙虛地說(shuō)：我沒(méi)有特殊的才賦，我只是非常好奇罷了。
他敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，有一顆充滿好奇的心，這是我們現(xiàn)在，非常稀缺的一種品質(zhì)。
那愛(ài)因斯坦對(duì)了嗎？
愛(ài)因斯坦的理論到現(xiàn)在為止，在我們的檢驗(yàn)上沒(méi)有出現(xiàn)偏差或偏離，在現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)精度上，愛(ài)因斯坦是對(duì)的。
但我們的技術(shù)也在發(fā)展，可能什么時(shí)候他也會(huì)錯(cuò)，就像牛頓的萬(wàn)有引力一樣，它在很小的范圍內(nèi)偏離愛(ài)因斯坦的理論，最后被愛(ài)因斯坦的理論所取代。
在理論上來(lái)說(shuō)，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論還存在一些問(wèn)題。
比如它不能解釋的黑洞奇點(diǎn)問(wèn)題，以及它不能融入量子時(shí)空的問(wèn)題，還有暗物質(zhì)、暗能量，現(xiàn)在我們還不知道是什么。
所以我們這個(gè)時(shí)代也需要能夠挑戰(zhàn)權(quán)威、能夠提出問(wèn)題的人。提問(wèn)是非常重要的，就像我們做研究的人，經(jīng)常看到的一幅圖。
這個(gè)白色的圈，表示人類(lèi)的知識(shí)，我們做研究，是專(zhuān)門(mén)鉆一個(gè)很小的點(diǎn)，使勁鉆，最后能做出什么呢？
可能鉆了一個(gè)非常小的點(diǎn)，但是這個(gè)點(diǎn)是人類(lèi)全新的知識(shí)，它將永遠(yuǎn)被流傳下去。
#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#在這個(gè)過(guò)程中，好奇心非常重要，它驅(qū)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(dòng)力。
所以大家一定要好好地留住孩子們的好奇心。