你的位置:学习网 - 视频教程 >> 亿万先生 >> 科普 >> 详细内容

《柔软的宇宙 第10章 弯曲的时空》




收藏本资料

本资料所属分类:

亿万先生 科普

更新时间:2017年8月10日

如不能下载,请查看怎样下载




         爱因斯坦早在1911年就已经预言:光线路过大质量天体附近的时 候,会发生弯曲,光线会沿着时空的曲率行进。因为在爱因斯坦看来,所谓的引力,就是时空弯曲,并不是真正的“力”,那么该如何验证这一点呢?一般的物体,质量都微不足道,引起的空间弯曲根本不值一提,没有办法被仪器测量到。假如能方便地测量,也轮不到爱因斯坦来鼓捣相对论了。只有太阳这种大质量天体,才会引起光线的一点点偏折。光线越靠近太阳,偏折越厉害,但是靠得再近,偏折也是以秒来计量的,数值微乎其微。圆周360度,1度可以等分成60分,1分可以分成60秒,可见秒是个非常小的角度单位。因此,观测到光线的偏折非常不容易,观测方法就像下面的图片(图10-1)示意的那样。



        假如能看到太阳旁边的那一颗星星,然后记录它在星空里相对于其他星星的位置,等过了半年,太阳离开了那个区域,我们就可以在晚上看到那颗星星,再来测量一下那个星星的位置,看看有没有差异,这样就可以测出光线偏折了多少。当然,爱因斯坦也知道,假如太阳在那颗星星旁边,是没法测量的。因为这是大白天,在耀眼的太阳附近看星星根本不可能。1913年,爱因斯坦又用新方法重新计算了一遍,发现结论比过去计算的结果要大一倍,他又开始心痒痒了。正巧也不知道是哪个好事者说白天能看见星星,爱因斯坦就来了兴致,他问苏黎世工业大学的天文学教授莫特:“白天看星星这事儿行不行啊?”莫特差点笑喷了,这是常识好不好啊,白天看星星怎么可能啊,除非脑袋被人打了一闷棍,眼冒“金星”。只有耐着性子等到明年8月21号日全食发生的时候才能检验一下,看理论计算是否是正确的。爱因斯坦又给美国威尔逊山天文台的海耳台长写了一封信,询问白天能否看见星星的问题。莫特一看,恐怕人家海耳会把他当做疯子不予理睬的,于是就在这封信后边写了好多客气话,又把苏黎世工学院的公章给盖上了。这算是公函,你总不能不回复吧?结果可想而知,人家海尔台长估计看到来信哭笑不得,最后还真的回了一封信,说白天看星星显然是胡扯。这下爱因斯坦便不得不耐着性子等待这次日全食的来临了。

       1914年,爱因斯坦大搬家到了柏林。他一边继续计算场方程,一边等待着日全食的到来。好几支远征队要去观测日全食,有去俄国的,有去美国加州的,也有去南美的。爱因斯坦迫切希望他们能成功观测到光线偏移,但是人算不如天算,1914年6月28日,一声枪响改变了无数欧洲人的命运,上百万年轻人将命丧黄泉。奥匈帝国的王储斐迪南大公夫妇,在萨拉热窝遇刺身亡。

        一开始大家也没觉得这一次刺杀能引起世界大战,毕竟欧洲已经和平了很多年。人死了,无外乎道歉、谢罪、赔钱,惩办凶手。普通老百姓哪知道,巴尔干半岛早已成了一个火药桶。斐迪南大公去萨拉热窝之前已经见过了德国皇帝威廉二世,他们早想在巴尔干半岛用兵了,斐迪南这次来就是为了搞一次军事演习,好好吓唬吓唬塞尔维亚,顺便到萨拉热窝视察。这倒好,一下子把塞尔维亚的民族主义者给激怒了,刺客普林西普抬手几枪打死了费迪南大公夫妇。而德国那边早就按捺不住了,打!大打出手!这是千载良机。奥匈帝国的老国王弗兰茨本来就很犹豫,何苦呢?反正斐迪南大公也不是他亲儿子,他跟茜茜公主的孩子早就不在了。皇太子,也就是他们的亲儿子鲁道夫,在三十岁的时候跟女友在一处行宫里殉情自杀身亡。茜茜公主作为母亲心碎欲绝,得了严重的抑郁症,后半辈子只穿黑色衣服。1898年,有个恐怖分子本来想刺杀奥尔良亲王,但奥尔良亲王临时离开了,刺客偶然又在报纸上看到茜茜公主正在本地旅行,就用一把磨尖的锉刀刺杀了茜茜公主。弗兰茨皇帝非常难过,亲人的厄运总是接二连三地降临,他弟弟在南美也是被人暗杀身亡的。

        哈布斯堡王朝不仅家族成员屡屡传出噩耗,国家也是日渐衰败,弗兰茨皇帝为了治理这个多民族的帝国已经操碎了心,他可以娴熟地使用奥匈帝国国内所有八种不同的语言,每天勤奋工作十二个小时,却仍然没法挽回这个江河日下的帝国。老了老了,他已经八十多岁,现在接班人又被暗杀,白发人送黑发人,他也没有任何办法。全国上下一片喊打之声,特别是外务大臣一个劲地撺掇,终于老皇帝同意了开战。奥匈帝国绑在了德国的战车上,走上分崩离析的不归路。7月28日,第一次世界大战正式开打。

        爱因斯坦他们怎么能预料到战争就要爆发呢?好几位天文学家正忙着要去世界各地观察日全食,他们选了好几个观测地点。一伙人去了美国加州,一伙人去了南美,还有一伙人去了俄国。巧不巧,去了俄国的那批人刚到,几个国家就相互宣战了。俄国人一看这帮家伙带着长枪短炮,扛了一大堆仪器,还带着照相底片,再看一个个都显得贼眉鼠眼,说不定是敌方的特务,先关起来再说!于是去俄国的那一支远征队就被关了起来。另外两支远征队也跟着走了霉运,南美那边儿天气不好,老天爷不给面子,日食当口,天空飘来几团乌云。只剩下美国加州那边的或许还有一线希望。结果老天爷依旧不肯配合,紧要关头,一片云彩偏偏把太阳遮了起来,日食一结束,立马云消雾散,晴空万里。看来大自然始终不愿透露自己的秘密,三番五次为难人类。

        1914年7月,爱因斯坦正式成为普鲁士科学院的院士,他就在化学家哈伯的对门设了一个办公室。米涅娃因为感情不和跟他分居,带着孩子一直住在瑞士,并没有搬来柏林。缺了女主人的照料,窝里一片狼藉。学生到他家拜访,发现他正穿着一只袜子在找论文。对爱因斯坦来讲,日食观测的事只好先放一边了,因为下一次日食要到1919年才会出现。

        当然爱因斯坦已经是社会名流,社会活动很多。现在又是多事之秋,整个欧洲都打起来了,想要放下一张平静的书桌也很难,学术界也没办法独善其身。《告文明世界书》纯粹是为德国发动战争而辩护,普朗克签了名,能斯特也签了,能斯特和哈伯还因为当上了国防部的顾问而穿上了少校军服。有人也想鼓动爱因斯坦签名,普朗克给挡了驾,因为普朗克很了解爱因斯坦,他绝不会签的。爱因斯坦和哲学教授尼古拉·别尔嘉耶夫联合起草了《告欧洲人书》,他从小就反对战争,《告欧洲人书》就是针对许多德国社会名流签署的《告文明世界书》的。可惜签署的人寥寥无几,报纸也不敢发表,在社会上的影响微乎其微。爱因斯坦也只有一头扎进场方程的计算里,才能摆脱这恼人的时局。

        中间的黄色圆点代表太阳,虚线代表行星应该走的椭圆轨道。黑线为进动走出来的“花瓣”曲线。真实的水星轨道没这么夸张。

        爱因斯坦把目标对准了另外一个让天文学家们百思不得其解的现象,那就是水星进动问题。我们在本书第一章就讲述了人们是如何在勒维耶光荣事迹的感召下,疯狂寻找“火神星”的,就是因为水星的轨道并非是标准的椭圆,而是一个类似花瓣的曲线(图10-2)。近日点会不断发生移动,扣除了金星和地球的影响,还残存43角秒/100年的误差消除不掉。这43秒的误差非常微小,而且变化是平摊在100年里的,可见科学家们是多么认真细致。物理学的很多重大成就,就是在小数点后面n位死磕出来的。按照当年天文学家们的设想,应该是一颗未知天体对水星造成了影响,大家找来找去就是找不到一丝一毫线索。爱因斯坦认为,不需要一颗未知行星来解释水星进动,正因为大质量天体的周围空间是弯曲的,才造成了额外的水星进动现象。其实太阳系的行星都应该有进动,但只有水星比较明显,其他天体离太阳太远了,进动太小难以察觉。

        爱因斯坦在计算水星进动的过程中走了很多弯路,他算来算去,都与观测数据不相符。在一次讲座上,他详细讲述了自己的广义相对论思想。说者无心,听者有意,底下听众中有一位差点玩了个“截胡”,抢了爱因斯坦广义相对论的功劳,此人就是哥廷根大学的一代数学宗师希尔伯特。希尔伯特比爱因斯坦年长十七岁,早在1912年,两人就有过书信来往。后来,希尔伯特邀请爱因斯坦来哥廷根讲学,第一次爱因斯坦婉拒了,希尔伯特又一而再,再而三地邀请,爱因斯坦不好驳他面子,就来到了哥廷根。他前后共做了六次物理学讲座,一次两小时,并与希尔伯特和克莱因聊得很High,大家都非常开心。

         高斯是哥廷根开宗立派的祖师爷,黎曼、狄利克雷和雅可比继承了高斯的工作,在代数、几何、数论和分析领域做出了贡献,克莱因和希尔伯特则使哥廷根数学学派进入了全盛时期,有关希尔伯特的数学名词就不下一打。希尔伯特对物理学研究也有很深厚的功底,正是爱因斯坦的报告激起了他对引力问题的兴趣,也开始研究广义相对论的推导工作。希尔伯特的数学功底无与伦比,爱因斯坦一不留神,就给自己制造了一个竞争者。

        大概在1915年10月,爱因斯坦才知道希尔伯特也在搞类似的工作,当时急得一脑袋汗,然后他就开始不眠不休地冲刺,时不时还要处理他那一团乱麻的家务事。他与希尔伯特有不少通信,特别是在冲刺阶段的11月份,因此这也给后人判别广义相对论到底是谁搞定的造成了很多麻烦。现在一般认为11月15号是爱因斯坦拿出最终结果的时间。爱因斯坦终于搞定了水星进动的计算,计算结果跟天文观测完全相符,而希尔伯特最后拿出计算结果要比爱因斯坦早了那么几天。11月18号,爱因斯坦收到希尔伯特的信,发现希尔伯特的东西跟他的几乎完全一致。要知道,爱因斯坦折腾广义相对论已经足足八年了,广义相对论简直比他亲儿子还亲呢!现在有人要抢走成果,爱因斯坦“护犊子”心态显露无遗。他立马回信给希尔伯特,强调是自己首先搞定的,希尔伯特很大度,他恭喜爱因斯坦计算出了水星进动,表明了自己并不想抢功劳,而且还说:“如果我能像您那样计算迅速,那么电子将会在我的方程中缴械投降,氢原子也将会为其不能辐射的原因表示抱歉……”

        后来科学史界还在不断发掘史料,看看到底是谁最后搞定的。希尔伯特的文章居然少了半截,那页纸的头部三分之一居然失踪了,天知道里面写了啥东西,这足以引起科学史专家们好一顿口水仗了。喜欢了解详细过程,而且自认为高数学得不错的话,可以去网上自己搜索自行判断,建议看卢昌海先生的博文或者书籍,里面有详细的介绍。我这里还要提醒一下,还有第三个人不能忘记,那就是格罗斯曼,他可是爱因斯坦一辈子的贵人啊!爱因斯坦后来讲广义相对论的时候,不怎么提到他,这是不合适的。当然,大家也可以看得出爱因斯坦“护犊子”的心态有多强烈,我这里还是赞同希尔伯特的态度,广义相对论还是要归功于爱因斯坦,而不是数学家。希尔伯特的成就太多,他没必要跟爱因斯坦计较。希尔伯特也没有在《告文明世界书》上签字,这一点上他与爱因斯坦是一个战壕里的战友。

上一篇 下一篇
亿万先生