爱因斯坦是人类历史上最伟大的科学家吗?

大数据DT

共 4601字,需浏览 10分钟

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2020-10-03 09:07


导读:牛顿构建的物理王国统治世界200余年后,被爱因斯坦搞得天翻地覆……


作者:数据叔
来源:大数据DT(ID:hzdashuju)


阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein),1921年诺贝尔奖官方照片



01 颠覆牛顿系统

早在爱因斯坦横空出世之前,人们就发现牛顿的系统好像有些问题。当然天文学家们观察发现,水星的轨道运动的实际情况与理论预测总是有一点点差距。到底是牛顿的问题,还是其他什么问题?

《世界观》这本书给出了“不证实推理”的过程:

如果T,且A1,A2,A3,…,An,那么O

(but…)

O是不正确的

所以T是不正确的,或者A1是不正确的,或者A2是不正确的,或者A3是不正确的……或者An是不正确的。[1]

这个案例中,T就是“牛顿力学(及牛顿力学给出水星位置理论值)”,A1是“水星运动观测”,A2,A3…是我们尚不确定的其他因素,O是“水星运动的实际情况”。

现在O出了问题,那么到底是T的问题,还是A1,A2,A3…的问题?

爱因斯坦倾尽心血的广义相对论给出的结论是,牛顿错了。广义相对论不是对牛顿力学的补充,而是颠覆性的新系统。《世界观》中提到过,对于我们熟知的重力,牛顿系统的解释是万有引力,即所有物质都会相互吸引;而广义相对论认为,重力是大质量物体引起时空弯曲造成的,相互吸引只是一种错觉,甚至说重力是一种力都是错觉。(详情见:《爱因斯坦耗费近十年的最伟大研究,推导出什么神预言?》)

“时空弯曲”其实不太好理解,因为它难以想象,不符合我们的日常认知和经验。在牛顿系统里,时空是均匀的,不会弯曲,直线就是直线,光沿着直线传播。而广义相对论认为,时空可以弯曲,弯曲的空间里的“直线”不再是直线,光沿着这种“直线”传播,看上去像是发生了偏折。

牛顿系统中,如果某一颗遥远的恒星被太阳挡住,那么我们就不可能看到这颗恒星。因为光沿着直线传播,它发出的光不会绕过太阳到达地球。但广义相对论认为光线可以发生偏折,那么在某些特殊情况下,被挡住的恒星的光可以“拐个弯”到达地球。

1919年5月29日,广义相对论的信徒、英国天文学家亚瑟·爱丁顿带着他的团队远赴非洲观测日食。当时明亮的七姐妹星团正位于太阳后面,非常适合检测爱因斯坦的预言。

▲爱丁顿拍摄的日食观测照片

经过分析与计算,爱丁顿证实观察结果与广义相对论非常吻合。11月6日爱丁顿在皇家天文学会上宣布了这个结果,第二天,《泰晤士报》用夸张的标题宣布“牛顿理论被推翻”。[2]

光线偏折示意图及英国媒体对爱丁顿观测日食的报道,图源:the Illustrated London News of November 22, 1919

2008年,为纪念爱丁顿的日食观测90周年,BBC制作了影片《爱因斯坦与爱丁顿》,还原了爱丁顿日食观测的前前后后,也很立体地刻画了两位科学家的形象。

不过还是有很多科学家质疑爱丁顿的结论,同时也拒绝接受颠覆认知、看起来非常离奇的广义相对论。

1921年,爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖,获奖原因中只提到了光电效应的发现,而没有提到更复杂、更重要的广义相对论,说明当时的主流科学界仍然认为无法确定广义相对论的正确。

此后很多年,广义相对论又得到了一系列验证,最近也是比较著名的事件就是引力波的成功观测。正如《世界观》一书所说,如今的主流科学界把广义相对论当作“现实主义”理论,即现实世界就是广义相对论描述的那个样子。

很多人倾向于相信自己看得见摸得着的理论,“离奇”的广义相对论其实离我们的日常生活并不遥远。移动互联网时代,我们几乎都会用到GPS,如果不按照广义相对论和狭义相对论较正,GPS的误差会大到根本无法使用。



02 奇迹年

广义相对论是爱因斯坦最重要的研究成果,但并不是爱因斯坦唯一伟大、唯一值得一提的研究成果。

有科学评论者认为,即便是去掉广义相对论和狭义相对论,爱因斯坦仍然毫无疑问是牛顿之后最伟大的科学家。

上文提到,发现光电效应让爱因斯坦获得了诺贝尔奖,爱因斯坦在1905年的论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》讲述了光电效应的来龙去脉。

1905年被称为爱因斯坦的“奇迹年”,这一年里爱因斯坦共发表了5篇论文——另外4篇是《论运动物体的电动力学》《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》《分子大小的新测定》《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》,被认为每一篇都是诺奖级。这些论文还非常“跨界”,几乎覆盖了理化生。

在我们现在生活的这个时代,我们似乎不太能体会到这些论文的伟大之处,光电效应、质能方程、布朗运动等爱因斯坦1905年创造的奇迹都是高中理科生必会知识点。

但反过来想,这些写进教科书的理论,是由100多年前瑞士专利局一个小职员在一年时间里提出的,难道我们不该感慨“怎么又是他”吗?

如果说爱因斯坦不是人类历史上最伟大的科学家,那么谁是呢?



03 谁说上帝不掷骰子?

要想一一列举爱因斯坦的研究成果及贡献,几乎是不可能的。何况还有人站在爱因斯坦这位巨人的肩膀上,看到了更遥远的世界。

但人无完人,爱因斯坦并不永远是对的。爱因斯坦提出了很多颠覆性的理论,但面对同样具有颠覆性的量子理论,爱因斯坦的态度却非常保守。尼尔斯·玻尔说:提出相对论的物理革命者可悲地变成了保守派,在量子理论方面“落后于时代潮流”。[3]

实际上,爱因斯坦不是质疑量子理论的正确性,更不是反对量子理论本身,他是质疑量子理论的完备性。

当时,与玻尔同属哥本哈根学派的维尔纳·海森堡刚刚提出不确定性原理,即粒子的位置与动量不可同时被确定。这个原理还告诉我们,微观世界里的游戏规则是随机的,电子出现在哪里,是由概率决定的。

重磅大佬云集的1927年第五届索尔维会议上,爱因斯坦无法接受不确定性原理,并质疑量子理论的完备性,他坚信自然规律不是由某种概率随机决定的。于是他对玻尔说:

上帝不掷骰子。(God does not play Dice with the Universe.)

但玻尔立即回怼:

爱因斯坦,不要教上帝怎么做。(Einstein, don't tell God what to do.)

在这个问题上,两个人世界观的“核心拼板”明显不一致。即使“哥本哈根诠释”跟实验结果更相符,逻辑上也更能说得通,但爱因斯坦不愿放弃自己的信念。

1927年第五届索尔维会议参会的29人中,17人18次获得诺贝尔奖。如果你是理科生,学生时代一定被这些名字折磨过:

  • 第三排:(1)奥古斯特·皮卡尔德、(2)亨里奥特、(3)保罗·埃伦费斯特、(4)爱德华·赫尔岑、(5)西奥费·顿德尔、(6)埃尔温·薛定谔、(7)维夏菲尔特、(8)沃尔夫冈·泡利、(9)维尔纳·海森堡、(10)拉尔夫·福勒、(11)莱昂·布里渊

  • 第二排:(1)彼得·德拜、(2)马丁·努森、(3)威廉·劳伦斯·布拉格、(4)亨德里克·克雷默、(5)保罗·狄拉克、(6)阿瑟·康普顿、(7)路易·德布罗意、(8)马克斯·玻恩、(9)尼尔斯·玻尔

  • 第一排:(1)欧文·朗缪尔、(2)马克斯·普朗克、(3)玛丽·居里、(4)亨德里克·洛伦兹、(5)阿尔伯特·爱因斯坦、(6)保罗·朗之万、(7)查尔斯·古耶、(8)查尔斯·威耳逊、(9)欧文·理查森[4]


爱因斯坦和玻尔却成为这次“全明星”会议的两位KOL。海森堡回忆说:讨论很快就变成一场爱因斯坦和波尔之间的决斗。

尽管玻尔看似赢家,但他仍然无法彻底说服固执的爱因斯坦。3年后的第六届索尔维会议上,爱因斯坦继续提出思想实验挑战玻尔。后来的时间里,爱因斯坦和其他两位科学家提出EPR佯谬,继续质疑量子力学的完备性。


04 核武器的锅,爱因斯坦背吗?

爱因斯坦在“奇迹年”提出的质能方程,为核能的开发利用提供了理论依据。此后两次世界大战相继爆发,在那样的年代里,核能不可避免地被用来制造武器。

1939年,爱因斯坦给美国总统罗斯福写信,提醒他警惕纳粹德国的核武器研究,并建议美国尽快开始相关研究。

纳粹德国的海森堡和美国的罗伯特·奥本海默分别成为两个敌对国家的核武器研发负责人。最终奥本海默抢在了前面,后面事情大家都知道,美国在日本投下两颗原子弹,核武器的破坏力震惊了世界。

爱因斯坦后来表示他非常后悔给罗斯福写信:

我当时是想把原子弹这一罪恶的杀人工具从疯子希特勒手里抢过来。想不到现在又将它送到另一个疯子手里。[5]

1946年7月出版的《时代周刊》把爱因斯坦的画像放上了封面,称其为“宇宙粉碎者”,并在蘑菇云上写下了他的质能方程。


在BBC的影片《爱因斯坦与爱丁顿》中,这两位来自一战敌对国家的科学家都反对战争、反对民族主义,这也是他们能够达成合作的基础。二战期间为躲避纳粹对犹太人的迫害,爱因斯坦离开德国前往美国,仍然坚决反对战争。

所以,自己的理论研究被用来制造武器让他很懊悔。1955年4月11日,在生命最后的日子里,爱因斯坦在哲学家伯特兰·罗素起草的《科学家要求废止战争》宣言上签字,这份宣言后来被成为《罗素—爱因斯坦宣言》[6]。4月18日,爱因斯坦与世长辞。

[1]理查德·德威特 - 《世界观》(原书第3版)
[2]科学松鼠会 - 爱因斯坦的日食缘
https://songshuhui.net/archives/16776
[3]乔治·马瑟 - 被误解的爱因斯坦
http://www.infzm.com/content/111926

[4]维基百科 - 索尔维会议

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B4%A2%E5%B0%94%E7%BB%B4%E4%BC%9A%E8%AE%AE

[5]人民网 - 爱因斯坦后悔给罗斯福写信:把原子弹送给疯子

https://news.qq.com/a/20160317/023949.htm
[6]维基百科 - 罗素—爱因斯坦宣言
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BD%97%E7%B4%A0%E2%80%94%E7%88%B1%E5%9B%A0%E6%96%AF%E5%9D%A6%E5%AE%A3%E8%A8%80


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