如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

2021-12-1620:55:03来源: 新浪科技 评论 4,005

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

科学是人类智慧的结晶,那些最伟大的科学家做出了尤为重大的贡献。不过,即使他们作为个人从未存在过,他们所引领的每一项伟大的科学进步最终都会发生。如果让普通人说出自己脑海中印象最深刻的一位科学家,你可能最常听到的一个名字就是阿尔伯特·爱因斯坦。

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

1925年,尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦在保罗·埃伦费斯特家中讨论了很多话题。玻尔-爱因斯坦之争是量子力学发展中最有影响的事件之一。今天,玻尔最具影响力的是他的量子贡献,但爱因斯坦更出名的是他对相对论和质能等效的贡献。

这位物理学家已经成为20世纪标志性的人物之一,在众多科学事件发挥了举足轻重的作用;也许正是他亲手颠覆了主宰科学思想200多年的牛顿物理学。他最著名的方程,E = mc²,是如此有知名度,以至于连不知其含义的人都耳熟能详。他因在量子物理学方面的建树而获得诺贝尔奖,而他最成功的理论——广义相对论,即我们现在所用的引力理论——在首次提出100多年后,经受住了所有的检验。

那么,如果爱因斯坦从未存在过,世界会有什么不同?会不会有其他同样伟大的物理学家出现,并取得完全相同的成就?这些科学成就会很快实现,还是要花更长时间,甚至于有些可能至今都未发生?难道我们需要一个同等份量的天才,才能实现他的伟大成就吗?或者,我们是否严重高估了爱因斯坦的罕见性和独特性,仅仅因为他只是在正确的时间出现在正确的地点,并拥有正确的能力,就把他提升到了我们心目中不应该的至高位置?这是一个非常值得探索的有趣问题。就让我们来一探究竟吧。

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

1919年,亚瑟·爱丁顿的观测实验结果表明,广义相对论可以用于描述大质量物体周围的星光弯曲,从而推翻了牛顿的理论。这是爱因斯坦引力理论的第一次观测实证。

爱因斯坦之前的物理学

1905年被称为爱因斯坦的“奇迹年”,当时他发表了一系列论文,而这些论文后来为物理学的诸多领域带来了革命性的突破。不过,在那之前的很短时间内,物理学取得了大量的进展,使许多长期以来关于宇宙的假说受到了极大的挑战。两百多年来,艾萨克·牛顿在力学领域里堪称无人能敌,他的万有引力定律既适用于太阳系中的天体,也适用于从地球某座山上滚下来的球,或是从大炮中射出的炮弹。

在深信牛顿学说的物理学家眼中,宇宙有着莫大的确定性。如果你能写下宇宙中每一个物体的位置、动量和质量,你就能以任意精度计算出它们在任何时刻的演变。此外,空间和时间是绝对的实体,引力以无限的速度运动,具有瞬时效应。整个19世纪,电磁学也发展迅速,揭示了电荷、电流、电场与磁场甚至光本身之间的复杂关系。有赖于牛顿、麦克斯韦和其他许多科学家的成功,物理学的很多问题似乎都已经解决了。

然而,后来的事实却并不如人意。有些谜题似乎暗示了许多不同方向的新事物。关于放射性的最初发现使人们意识到,当某些原子衰变时,其质量实际上会有所损失。衰变粒子的动量似乎与原初粒子的动量不匹配,这表明,要么某些过程并不守恒,要么存在某些不可见的东西。原子不一定是最基本的粒子,而是由带正电的原子核和离散的带负电的电子组成。

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

较重且不稳定的元素会发生放射性衰变,通常是以发射一个α粒子(1个氦核)或经历β衰变的形式(如图所示),一个中子转换成质子、电子和反电子中微子。这两种类型的衰变都改变了元素的原子序数,产生了与原先元素不同的新元素,并导致产物的质量低于反应物的质量。

不过,牛顿学说面临的两个挑战似乎比其他的都加重要。

第一个挑战是令人困惑的水星轨道观测结果。其他所有行星都遵循牛顿定律,达到了测量精度的极限,而水星却没有。尽管考虑到近日点进动与其他行星的影响,水星的轨道仍与预测的结果存在很大偏差。水星每世纪的近日点进动差值为43角秒,这使得许多人猜测水星内侧还存在一颗行星,即“祝融星”(Vulcan,又称火神星),但后来的研究者并未发现这颗行星。

第二个挑战可能更令人费解:当物体接近光速时,它们就不再服从牛顿的运动方程。如果你在一列时速100公里的火车上以每小时100公里的速度向前扔出一个棒球,球的速度就将达到每小时200公里。在直觉上,这一结果很符合你的预期,而且也得到了实验的验证。

但如果你在一辆向前行驶的火车上,向前、向后,或任何方向打出一束光,它都会以光速移动,不管火车运动的速度如何。事实上,无论观察者眼中光线移动的速度有多快,光速都是不变的。

此外,如果你在一辆行驶中的火车上扔一个球,但火车和球的速度都接近光速,那我们一贯认为的“加法”就不大适用了。如果火车的速度是光速的60%,而你以60%的光速将球扔出去,那它的速度不会是光速的120%,而是光速的大约88%。尽管我们能够描述这一过程,但无法做出解释。这个时候,爱因斯坦出现了。

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

祝融星的假设位置。这颗假想的行星被认为是19世纪观测到的水星异常进动的原因。事实证明,祝融星并不存在,这一结果也为爱因斯坦的广义相对论铺平了道路。

爱因斯坦的研究突破

我们很难将爱因斯坦的全部成就浓缩在一篇文章中,但他最重要的发现和理论有如下几个。

(1)质能方程E = mc²。当原子衰变时,它们会失去质量。如果不守恒的话,这些质量会去哪里?爱因斯坦给出的答案是:质量被转化为了能量。此外,爱因斯坦还给出了最终的答案:质量与能量的转化比例就如这个著名方程E = mc²所描述的那样,反之亦然。从那时起,我们就基于这个方程,以物质-反物质对的形式,从纯粹的能量中创造了质量。在任何情况下,E = mc²都是正确的。

(2)狭义相对论。当物体接近光速时,它们会出现什么样的行为?尽管它们以各种违背直觉的方式运动,但都可以用狭义相对论来描述。宇宙具有一个速度极限:真空中的光速;在真空中,所有无质量的实体都以光速进行精确的运动。如果是具有质量的实体,就永远无法达到光速,只能接近光速。狭义相对论规定了接近光速的物体将如何加速,如何提高或降低速度,以及时间尺度会如何膨胀和收缩。

(3)光电效应。当你把光线直射到一块导电金属上时,它会将金属上最松散的电子“踢”出去。如果增加光线的强度,会有更多的电子被踢出,而如果降低光线强度,则踢出的电子会更少。但奇怪的是,爱因斯坦发现该效应并不是基于光的总强度,而是基于超过某个能量阈值的光强度。紫外线只会引起电离,可见光和红外线则不会这样,无论其强度如何。爱因斯坦证明了光的能量可以被量子化为单个光子,“电离光子”的数量决定了多少电子被踢开;没有别的方式能够做到这一点。

(4)广义相对论。这是爱因斯坦所有革命性突破中最伟大和最艰苦的一项:一种全新的引力理论,适用于整个宇宙。空间和时间不是绝对的,而是构成了一种结构;其中的所有物体,包括所有形式的物质和能量,都在这种结构中穿行。物质和能量的存在和分布,导致了时空的扭曲和演变,反过来,扭曲的时空也决定了物质和能量将如何运动。在牛顿学说失败的地方,爱因斯坦的相对论经受住了考研,它解释了水星的轨道,并预测了星光在日食期间将如何偏转。从广义相对论第一次被提出以来,还没有任何实验或观测能将其推翻。

除了以上这些,爱因斯坦还在其他许多领域发挥了重要作用。他发现了布朗运动;他与其他研究者共同发现了玻色子运行的统计规律;他通过爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论(简称EPR悖论)为量子力学的建立做出了重大贡献;此外,他还提出了通过虫洞(称为“爱因斯坦-罗森桥”)进行时空旅行的概念。可以说,爱因斯坦在科学领域的贡献是绝对的传奇。

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

在这张1934年的照片中,爱因斯坦站在黑板前,为一群学生和旁观者推导狭义相对论。尽管狭义相对论现在被认为是理所当然的,但该理论第一次被提出时无疑具有革命性的意义。

如果没有爱因斯坦,物理学能否取得同样的进步?

尽管爱因斯坦的科研生涯举世无双,但我们有许多理由相信,如果没有他,其他研究者也会在很短的时间内取得同样的成就。当然,我们无法确认这一点。我们赞美“爱因斯坦式的天才”,他作为独一无二的例子,展示了无与伦比、足以改变我们对宇宙认知的能力——他确实这么做到了。然而,即使没有爱因斯坦,他几乎一切的成就很可能都会实现。

在爱因斯坦之前,早在19世纪80年代,电子的发现者、英国物理学家约瑟夫·汤姆孙便开始认为具有移动带电粒子的电场和磁场一定携带着能量。他试图量化这种能量。这很复杂,但自学成才的英国物理学家奥利弗·亥维赛通过一组简化的假设,对此进行了计算:他确定带电粒子携带的“有效质量”与电场能量(E)除以光速(c)的平方成一定比例。亥维赛提出的比例常数是4/3,与他在1889年计算的真值1不同;弗里茨·哈泽内尔在1904年和1905年也计算出了同样的结果。亨利·庞加莱在1900年独立推导出了E = mc²,但他还未完全理解这一推导结果的含义。

在没有爱因斯坦的情况下,已经有物理学家接近完成他这个最著名的方程;不难想象,即使没有爱因斯坦,其他的物理学家也很有可能在短时间内完成余下的任务,这是有现实依据的。

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

这张“光子钟”的插图显示,当你处于静止状态时(左),一个光子如何以光速在两个镜子之间上下移动。当你向前推进(向右移动)时,光子也以光速移动,但需要更长的时间在底部和顶部镜子之间振荡。因此,相对运动的物体与静止物体相比,时间发生了膨胀。

同样,其他物理学家也已经非常接近狭义相对论了。迈克尔逊-莫雷实验证明了光总是以恒定的速度移动,推翻了最流行的以太模型。亨德里克·洛伦兹发现了决定速度如何增加以及时间如何膨胀的变换方程,并与乔治·菲茨杰拉德各自确定了长度在运动方向上是如何收缩的。在很大程度上,这些都是引导爱因斯坦发展出狭义相对论的基础。当然,的确是爱因斯坦将这一切综合了起来。同样,很难想象洛伦兹、庞加莱和其他研究电磁学和光速相互作用的人不会取得类似的突破。即使没有爱因斯坦,这些研究者也已经非常接近狭义相对论了。

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

迈克耳孙干涉仪(上图)显示,如果伽利略相对论是正确的,则光干涉图样(下图,实线)的变化可以忽略不计(下图,点线)。无论干涉仪的方向是什么,包括与地球在太空中的运动方向一致、垂直或相反,光速都是一样的

马克斯·普朗克对光的研究为光电效应的发现奠定了基础;无论有没有爱因斯坦,光电效应都肯定会被发现。

在量子力学中,粒子可以分为玻色子与费米子。费米和狄拉克对费米子(玻色子之外的另一类粒子,包括夸克和轻子)进行了统计,而统计玻色子的人则是印度物理学者萨特延德拉·玻色——保罗·狄拉克为纪念他而给出了这一命名——爱因斯坦只是玻色信件的收信人。

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

这张银河系中心附近恒星的20年延时图像是由欧洲南方天文台(ESO)于2018年发布的。可以看到,这些特征的分辨率在接近尾声时逐渐变得锐利,灵敏度也逐渐提升;与此同时,中心恒星一直在围绕一个看不见的点——银河系的中心黑洞——运行,这些都与爱因斯坦广义相对论的预测相符

可以说,如果没有爱因斯坦,量子力学一样也会发展得很好。

当然,广义相对论是最重要的。爱因斯坦已经掌握了狭义相对论,开始着手研究引力。1907年,爱因斯坦提出了著名的等效原理——加速运动所受到的惯性力与引力在本质上是等价的,观察者无法对二者进行区分。爱因斯坦本人将这一原理称为“他最感快乐的思想”,甚至让他三天都没睡好觉。不过,其他研究者也在沿着相同的路线展开思考,比如

·庞加莱将狭义相对论应用到水星轨道上,发现可以解释观测到的大约20%的“额外”近日点进动;

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

无论是在一枚加速的火箭当中(左),还是在地球上(右),球落地的方式都是相同的,这是爱因斯坦等效原理的一个例证。在局部区域测量加速度的结果表明,重力加速度和其他形式的加速度之间没有区别;除非你能以某种方式观察或获取外部世界的信息,否则这两种情况将产生相同的实验结果。

·爱因斯坦的老师赫尔曼·闵可夫斯基提出了思维时空的概念——称为“闵可夫斯基空间”,将空间和时间编织成无法分割的时空结构;

·西蒙·纽康和阿萨夫·霍尔改进了牛顿的万有引力定律,以解释水星的进动,暗示一种新的万有引力理论将解决这一难题;

·也许最令人信服的是,数学家大卫·希尔伯特也在研究非欧几何,并提出了一个“作用量”,与爱因斯坦为引力背景下的运动所提出的作用量实际上是等同的,之后该作用量又引出了爱因斯坦引力场方程。尽管希尔伯特并没有完全正确地理解其中的物理含义,但我们今天仍然称之为“爱因斯坦-希尔伯特作用量”。

在爱因斯坦取得的所有科学成就中,广义相对论尤为超前。当爱因斯坦提出该理论时,其他同辈科学家还远远落后于他。不过,尽管可能落后几年甚至几十年,但毋庸置疑的是,有一些科学家已经非常接近爱因斯坦的思维,并且正沿着相同的路线展开思考。这让我们相信,即使没有爱因斯坦,广义相对论最终也会出现在人类的知识领域中。

对于科学的发展,人们往往习惯于这样一种叙述:某个人凭借天才般的灵光一现,就发现了其他所有人都忽略的关键突破或思维方式;如果没有这样一个人,人类就永远无法积累起非凡的知识成就。

如果没有爱因斯坦,世界会有什么不同?

这个动画显示了当一个质量实体穿过时空时,时空会如何反应;从定性的角度来看,时空不仅仅是一个结构整体,而是整个空间本身会因宇宙中物质和能量的存在及其属性而发生扭曲。请注意,在描述时空结构的时候,我们不仅需要知道大质量物体的位置,还必须知道该质量在整个时间中的位置。瞬时位置和过往位置决定了物体在宇宙中运动时所受到的力,这使得广义相对论的微分方程比牛顿的理论还要复杂。

然而,当我们更细致地审视这些科学研究时,就会发现,许多科学成就在出现之前,就已经包含了众多研究者的贡献。事实上,当我们回顾历史时,会发现同一时期已经有很多人取得了相似的认识。阿列克谢·斯塔罗宾斯基在阿兰·古斯之前,就已经把许多关于宇宙暴胀的理论成果综合在一起;在哈勃之前,乔治斯·勒梅特和霍华德·罗伯逊就构建了宇宙膨胀的理论宇宙;还有朝永振一郎,他在朱利安·施温格和理查德·费曼之前就完成了量子电动力学的计算。

在许多引人注目的物理学前沿问题上,爱因斯坦是第一个跨越终点线的人。但如果他从来没有来到这个世界上,也会有其他研究者走完他走过的路。在许多人看来,爱因斯坦拥有一种独属于他的耀眼天才,但几乎可以肯定的是:天才并不像我们通常认为的那样独特和罕见。通过大量的努力和一点点运气,几乎任何受过适当训练的科学家,只要在正确的时间找到正确的方法,就能取得革命性的突破。

weinxin
N软网微信公众号扫一扫
观点新鲜独到,有料有趣,有互动、有情怀、有福利!关注科技,关注N软,让我们生活更加美好!
  • A+

发表评论