相对论简史

谁是20世纪最伟大的人？根据《时代》杂志对数百名世界名人的评选，爱因斯坦、富兰克林·罗斯福和甘地获得了最高票数。由英国物理学家斯蒂芬·霍金在一篇文章中介绍的爱因斯坦成为了20世纪无可争议的最伟大的人。斯蒂芬·霍金教授是世界上最著名的物理学家，黑洞理论和“大爆炸”理论的创始人，著名的《时间简史》的作者。他目前是剑桥大学数学中心的主席。这个位置是牛顿以前的位置。美国学者翟虹影是牛津大学物理研究所特别认证的物理学家，目前是休斯顿大学的研究员。张兰目前是休斯顿大学材料科学的博士生，也是美国物理学会的成员。他们把斯蒂芬·霍金的文章翻译成中文，并通过这份报纸介绍给读者。这篇文章告诉我们相对论是什么样的。它如何描述这个世界？为什么相对论改变了整个世界？请欣赏这位世界上最著名的物理学家关于相对论的罕见的初级读物。——编者在19世纪末，科学家们认为他们对宇宙的完整描述已经接近尾声。他们想象一种叫做“以太”的连续介质充满了空间，就像空气中的声波一样，光和电磁信号都是“以太”中的波。然而，与空间完全充满“以太”的想法相反的结果很快就出现了:根据“以太”理论，光传播的速度应该是相对于“以太”的一个固定值，因此，如果你沿着与光传播相同的方向行进，你测量的光速应该低于你静止时测量的光速；另一方面，如果你的行进方向与光的传播方向相反，你测量的光速应该比你静止时测量的光速高。然而，一系列的实验没有发现光速不同的任何证据。在这些实验中，1887年美国俄亥俄州克里夫兰市案例研究所的阿尔波特·迈克尔逊和艾德·默里所做的测量是最精确和详细的。他们比较了两个直角光束的传播速度。根据推理，由于围绕旋转轴的旋转和围绕太阳的旋转，地球应该穿过“以太”。因此，由于地球的运动，两个直角光束应该以不同的速度测量。默里发现，白天、黑夜、冬天和夏天都不会造成这两种光束的光速不同。不管你是否移动，光似乎总是以相对于你相同的速度传播。爱尔兰物理学家乔治·菲茨杰拉德和荷兰物理学家亨利·卓克·洛伦茨第一个认为相对于“以太”运动的物体在运动方向上会缩小，而相对于“以太”运动的时钟会变慢。对于“以太”，菲茨杰拉德和洛伦茨都认为它是一种真实的物质。当时，在瑞士首都伯尔尼的瑞士专利局工作的一个名叫阿尔波特·爱因斯坦的年轻人介入了“以太”理论，一劳永逸地解决了光传输速度的问题。1905年，爱因斯坦指出，由于你无法探测到你是否相对于“以太”运动，“以太”的整个概念是多余的。相反，爱因斯坦认为科学定律应该对所有*运动的观察者具有相同的形式。不管观察者如何移动，他们应该测量相同的光速。爱因斯坦的思想要求人们放弃用所有时钟测量时间的普遍概念。因此，每个人都有自己的时间价值:如果两个人相对静止，他们的时间是相同的；如果它们之间有相互运动，它们观察的时间是不同的。大量实验证明爱因斯坦的想法是正确的。围绕地球旋转的精密时钟在时间指示上不同于实验室储存的精密时钟。如果你想延长寿命，你可以乘飞机向东飞行，这可以叠加地球自转的速度。无论如何，你都可以获得十分之几秒的寿命延长，还可以弥补因食用航空食品而造成的损失。爱因斯坦认为，所有*运动的观察者都有相同的自然法则这一前提是相对论的基础。之所以这样说，是因为这个前提意味着只有相对运动才是重要的。尽管相对论的完美性和简洁性使许多科学家和哲学家信服，但仍有许多相反的观点。爱因斯坦在19世纪放弃了自然科学的两个绝对概念:“以太”意味着绝对静止和用所有时钟测量的绝对时间或世界时间。人们不禁要问:相对论是否意味着一切都是相对的，在概念上没有绝对的标准？这种不安从20世纪20年代持续到30年代。1921年，爱因斯坦因对光电效应的贡献获得了诺贝尔物理学奖。然而，由于相对论的复杂性和争议性，诺贝尔奖的授予没有提及相对论。到目前为止，我仍然每周收到两到三封信，告诉我爱因斯坦错了。然而，相对论现在已被科学界完全接受，它的预测已被无数实验所证实。相对论的一个重要结果是质量和能量之间的关系。爱因斯坦假设所有观察者的光速都是一样的，这意味着没有什么能比光速更快。如果粒子或宇宙飞船不断获得能量，会发生什么？被加速的物体的质量将会增加，使得加速变得更加困难。粒子不可能加速到光速，因为它需要无限的能量。爱因斯坦在他著名的质量能量方程“e = mc2”中总结了质量和能量之间的等价关系，这也许是街上所有人都知道的唯一物理方程。当铀核分裂成两个小核时，较小的质量缺陷会释放出巨大的能量。这是质量能量方程的许多结论之一。1939年，第二次世界大战阴云密布。一群认识到裂变反应应用的科学家说服爱因斯坦克服他的和平主义顾虑，并写信给当时的美国总统富兰克林·德拉诺·罗斯福，劝说美国开始其核研究计划。这导致了曼哈顿计划和1945年广岛原子弹爆炸。有人指责爱因斯坦因为原子弹而发现了质能关系，但这种指责就像指责牛顿因为飞机失事和戟而发现了万有引力一样。爱因斯坦没有参与曼哈顿计划的任何过程，被巨大的爆炸吓坏了。尽管相对论与电磁理论的相关定律完美结合，但它与牛顿的引力定律不相容。牛顿的引力理论表明，如果你改变物质在空间中的分布，整个宇宙的引力场的变化就会同时发生，这不仅意味着你可以发出比光速更快的信号(这是相对论所不允许的)，而且还需要一个绝对的或普遍的时间概念，这是相对论所抛弃的。爱因斯坦从1907年就知道这个不相容的困难，当时他还在波恩的专利局工作，但是直到1911年爱因斯坦在德国布拉格工作时，他才深刻地思考这个问题。爱因斯坦认识到加速度和重力场之间的密切关系。一个人在一个密封的隔间里无法分辨他自己在地板上的压力是由他在地球重力场中的位置引起的，还是由他在非重力空间中被火箭加速引起的。(这些都发生在“星际迷航”时代之前，爱因斯坦认为人们是在电梯里而不是在宇宙飞船里。然而，我们知道如果你不想发生电梯碰撞，你不能在电梯里加速或长时间*下落。)如果地球是完全平坦的，人们可以说苹果由于重力落在牛顿的头上，这相当于牛顿的头撞击苹果，因为牛顿随着地球表面加速上升。然而，在地球是圆形的前提下，加速度和重力之间的等价关系不再有效，因为地球另一边的人将被加速到相反的方向，但两边观察者之间的距离将保持不变。当爱因斯坦于1912年回到瑞士苏黎世时，他提出了这样一个想法:如果在真实的几何图形中引入一些调整，重力和加速度之间的等价关系就可以建立起来。爱因斯坦想象，如果三维空间加上四维时间形成的时空实体是弯曲的，结果会是什么？他的想法是质量和能量会导致时空弯曲，这可能在某些方面得到了证明。像行星和苹果一样，物体会倾向于直线运动，但是它们的轨迹会被引力场弯曲，因为时空会被引力场弯曲。在朋友马歇尔·格洛斯曼的帮助下，爱因斯坦研究了弯曲空间和曲面的理论。当伯恩哈德·雷曼发展这些抽象理论时，它们从未想过与现实世界有任何联系。1913年，在爱因斯坦和格罗斯曼联合发表的一篇文章中，他们提出了一个想法:我们对重力的了解只是时空弯曲这一事实的一种表达。然而，由于爱因斯坦的一个错误(爱因斯坦是一个真实的人，也犯了错误)，他们无法找到时空曲率的曲率和其中包含的能量质量之间的关系方程。在柏林的时候，爱因斯坦继续研究这个问题。他不受家庭的困扰，也没有受到战争的影响。1915年11月，爱因斯坦最终发现了时空曲率和其中包含的能量质量之间的关系方程。1915年夏天，在参观哥廷根大学期间，爱因斯坦与数学家戴维·希尔伯特讨论了他的想法，他在爱因斯坦之前几天发现了同样的方程。然而，正如希尔伯特所承认的，这一新理论的荣誉属于爱因斯坦，他将重力与弯曲的时空联系起来。这也要归功于文明的德国，因为在那里，这种科学讨论和交流在当时的战争中仍然可以不受影响地进行，这与20年后发生的情况形成了鲜明对比。关于弯曲时空的新理论被称为“广义相对论”，以区别于不包含重力的原始理论，该理论被重新命名为“狭义相对论”。1919年，“广义相对论”以一种相当壮观的形式被证明:在日食期间，英国对西非的科学考察观察到天空中一颗恒星靠近太阳的位置有轻微的移动。正如爱因斯坦预测的那样，恒星发出的光在靠近太阳时会因太阳引力而弯曲。这是证明时空弯曲的直接证据。自从欧几里德在公元前300年完成了他的“原著”，这是人类对他们在宇宙中的存在的最大的革命性的更新。爱因斯坦的“广义相对论”将“时间和空间”从被动事件的背景转变为动态宇宙中的主动参与者，这导致了科学前沿的巨大困难，并且在20世纪末仍未解决。宇宙充满了物质，这反过来导致时间和空间弯曲，导致物体聚集在一起。当用“广义相对论”解释静态宇宙时，爱因斯坦发现他的方程是不可解的。为了使他的方程适应静态宇宙，爱因斯坦增加了一个叫做“宇宙常数”的术语。这种“宇宙常数”再次扭曲空间和时间来分离所有物体。由“宇宙”常数引入的排斥效应将平衡物体的相互吸引，并允许宇宙的长期平衡。事实上，这已经成为理论物理学史上人类失去的最大机会之一。如果爱因斯坦继续朝这个方向努力，而不是灵活地引入“宇宙常数”，他也许能够预测宇宙是膨胀还是收缩。然而，直到20世纪20年代，当威尔逊山上的100英寸望远镜观察到离我们较远的星系正以更快的速度远离我们时，宇宙随时间变化的可能性才被认真考虑。换句话说，宇宙正在膨胀，任何两个星系之间的距离都随着时间的推移而不断增加。爱因斯坦后来称“宇宙常数”是他一生中最严重的错误。“广义相对论”完全改变了关于宇宙起源和目的地的讨论方向。静态宇宙可能永远存在，或者在过去的某个时候，当这个静态宇宙被创造出来的时候，它已经是现在的形式了。另一方面，如果星系现在正在远离彼此，它们在过去应该更靠近彼此。大约150亿年前，它们甚至可能相互接触和重叠，它们的密度可能是无限的。根据“广义相对论”，大爆炸标志着宇宙的起源和时间的开始。从这个意义上说，爱因斯坦不仅是过去100年中最伟大的人物，他应该受到人们更长时间的尊敬。在黑洞中，空间和时间是如此弯曲，以至于黑洞吸收了所有的光，没有光可以逃脱。因此，“广义相对论”预言时间应该在黑洞中结束。然而，广义相对论方程不适用于时间开始和结束的两种极端情况。因此，这个理论不能揭示大爆炸到底发生了什么。有些人认为这是上帝万能的象征。上帝可以用他想要的方式创造宇宙。但是其他人(包括我自己)认为宇宙的起源应该服从一个在任何时候都适用的普遍原则。在我们朝这个方向努力的过程中，我们已经取得了一些进展，但是我们还远远没有完全理解宇宙的起源。广义相对论不能应用于大爆炸的原因是它与量子理论不相容，后者是20世纪早期另一个伟大的概念突破。量子理论最早是在1900年提出的，当时在柏林工作的马克斯·普朗克(Max Planck)发现，从炽热物体发出的辐射可以解释为特定尺寸的能量单位发出的光，普朗克称之为量子。例如，辐射就像一包包的白糖。在超市里，你不能想买多少就买多少。你每包只能买一英镑。1905年，爱因斯坦在一篇论文中提到，他写道，普朗克的量子假说可能解决光电效应，即一些金属在接受光时释放电子的现象。这种效应是现代光电探测器和电视摄影应用的基础，爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔奖。爱因斯坦对量子思想的研究一直持续到20世纪20年代，当时哥本哈根的华纳·海森堡、剑桥的保罗·狄拉克和苏黎士的埃文·薛定谔提出了量子机制，从而展示了一幅新的现实图景。根据他们的理论，小粒子不再有明确的位置和速度。相反，测量小粒子的位置越精确，其速度测量就越不精确。反之亦然，从达拉斯到礼堂爱因斯坦被这个基本定律中的任意性和不可预测性所迷惑，最终未能接受量子机制。他著名的格言“上帝不会掷骰子”表达了这种感觉。尽管如此，大多数科学家已经接受了量子机制的新定律并承认了它们的适用性，因为这些定律不仅与实验结果吻合得很好，而且还能解释许多以前无法解释的现象。这些定律已经成为当代化学、分子生物学和电子学发展的基础，也是在过去半个世纪里改变了整个世界的科学和技术的基石。1933年，纳粹统治德国。爱因斯坦离开了这个国家，放弃了德国国籍。他在新泽西州普林斯顿的高等科学研究所度过了他生命的最后22年。纳粹发起了一场反对“犹太科学”和犹太科学家的运动(驱逐犹太科学家是德国未能制造原子弹的原因之一)，而爱因斯坦和他的相对论是这场运动的主要目标。当被告知一本名为《100个科学家反对爱因斯坦》的书已经出版时，爱因斯坦回答说，为什么是100个？如果我真的错了，一个人足以证明我错了。二战后，他敦促盟国建立一个全球性机构来控制核武器。1952年，新成立的以色列授予他总统职位，但他拒绝了。“政治是暂时的，”他写道，“方程式是永恒的。”广义相对论是他最好的墓志铭和纪念碑。和宇宙一起，它们永远不会腐烂。在过去的100年里，世界经历了前所未有的变化。原因不在于政治或经济，而在于科学和技术——科学和技术直接来自先进的基础科学研究。没有科学家比爱因斯坦更能代表这门科学的先进性。(这篇文章略作删节)。[注1]早在1919年，爱因斯坦就承诺将诺贝尔奖授予他的塞尔维亚妻子米列娃·真理子，她是苏黎士学院的同学。那时爱因斯坦已经确信他会获得诺贝尔奖，但他不认为这个奖是由于他对光电效应的贡献。《[笔记2]》是一部在美国上映的热门电视剧。[注释3]一开始，米列娃·真理子陪着爱因斯坦去了柏林，然后立即离开了。他带着两个儿子回到瑞士，三年后离婚。爱因斯坦和他当时离婚的表妹埃尔莎结婚后，埃尔莎给了爱因斯坦无微不至的关怀，并陪伴他探索了多年的“广义相对论”。真理子为爱因斯坦创造“狭义相对论”做出了贡献，但她从未提及。离婚后，她从事数学和物理教学。