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“牛顿啊,请原谅我。”

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发表于 2020-11-26 19:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
“牛顿啊,请原谅我。”  科技新闻

“牛顿啊,请原谅我。”  科技新闻


2019年4月10日晚21时。
全人类都在冲动地期待一张照片的公布。
公布前,科学家们显得很是高调、自傲。
当照片一出,马上在朋友圈刷屏,有猎奇,有歌颂,也有迷惑——这是人类第一次确认了黑洞的存在!
“牛顿啊,请原谅我。”  科技新闻
图:黑洞,“事务视界千里镜”构造公布
左图,是科学家按照现有宇宙理论计较出来的黑洞,右图则是此次实在拍出的。可见,两者已经很是类似。这说明理论猜测又一次获得了严重功效,人类在“从哪儿来,到那里去”这个终极题目上又进了一步。
那又是什么理论如此富有远见?
本文把时光倒推105年,1915年那一年,爱因斯坦提出了广义相对论。有了相对论,我们才逐步晓得了黑洞这类工具。
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星际穿越
在上面这张照片公布前,人们对黑洞印象最深的一幕,也是最接近实在黑洞的,来自科幻大片《星际穿越》。2020年8月至今,该片还在各大院线重映呢。
影片中讲了这么一个故事:地球黄沙囊括,农作物灭绝,自然情况恶化,人类剩下的风景无几。NASA的科学家在土星四周发现了一个“虫洞”,经过这一“时空地道”,便可以冲破人类科技极限,去寻觅延续生命的星球。35岁的仆人翁库珀离别10岁的女儿墨菲,履行这一宇宙飞翔使命。但是,宇宙飞翔1个小时相当于地球上的7年。
在太空中,库珀履历了时空扭曲、掉进了黑洞、进入了超维空间。当库珀再次见到女儿时,已经124岁,但心理年龄37岁,而女儿心理上和现实中都已经99岁。也是说,爸爸比女儿年轻62岁。
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图:《星际穿越》中的父女变化
这类情形,是相对论所揭露的:“时候变慢的机制”,物体的活动速度越快,当时候流逝就越慢。以超高速飞翔的爸爸库珀,在太空翱翔一圈,变得比女儿“年轻”,是完全合适物理学道理的。
同理,终年在天上的飞翔员和空姐,要比空中上的同龄人要年轻一点。固然,只是一丁点,由于飞机的速度还远远不够快,飞一辈子也年轻不到一秒。要实现“天上一天,人世一年”的结果,要求你把速度进步到接近光速才行。
《星际穿越》中的超远间隔观光,借助了“虫洞”,虫洞是时空曲折下,毗连空间两部分的小地道。打个例如,从北京到西雅图,经地球概况飞曩昔需要很远、很久,但假如在地球上打一个洞穿曩昔,就大大收缩了旅程。同理,在宇宙中,经过虫洞,我们便可以从太阳系穿越到别的一个星系。
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图:虫洞,来历:《星际穿越中的科学》
库珀又率领我们走进了黑洞。黑洞的引力出格强,任何工具掉进黑洞,就永久回不来了,包括光。人掉进去的体验是怎样的呢?将被潮汐力从侧面挤压成面条,而且身材下半部分的引力比上半部分的引力强很多,终极引力之差会把你撕裂。不外,影片中采用的是“温顺奇点”的说法,没有把库珀撕碎。
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图:《星际穿越》中的黑洞。为了显现黑洞,剧组召集了30人的科研小组,耗用几千枚CPU运算了一全年,才计较出电影中的黑洞。
虽然《星际穿越》有一些槽点,但万万不要以为剧情都是异想天开。其中,虫洞、黑洞、奇点……都是按照广义相对论推表演来的。影片的科技指导基普·索恩还因在引力波观察方面的决议性进献,荣获2017年诺贝尔物理学奖,他也是是黑洞提出者约翰·惠勒的传人。
绝不夸张地说,明天关于宇宙太空题材的科幻,各种脑洞大开的奇思妙想,几近都是广义相对论的推论。
著名物理学家杨振宁如此歌颂道,“作为科学反动,广义相对论在人类历史上是唯一无二的;其设想宏伟、美好、广邃,催生了使人畏敬的宇宙学,而且它是一小我单独孕育并完成的,这一切让我想起《旧约》里的创世篇。”
这个创世者就是:阿尔伯特·爱因斯坦。
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创世前 20世纪初,典范物理学的大厦已经建成。年高德劭的开尔文勋爵在英国一场报告中自傲地说:“当前,物理学中已经没有什么新工具可以发现了,剩下的就是把丈量做得越来越切确而已。”
不外,阴沉天空中的远处,飘来使人不安的乌云。
1905年,在西方,间隔“牛顿奇迹年”已经曩昔了整整240年,在东方,则是清代光绪31年。在瑞士,26岁的伯尔尼专利局的助理判定员爱因斯坦,上着每周六天的班,领着3500法郎的薪水,养家生活委曲拼集。他这份工作,还是托同学的爸爸走后门找来的。
这份工作最大的益处就是安逸,没事就琢磨他阿谁被凡人视为疯子的思维尝试——“假如我和光飞得一样快,那我会看到什么?”
这一想,可不得了。
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图:1905年的爱因斯坦,来历:视觉中国
这年6月,爱因斯坦颁发论文提出“光量子假说”,开启了“量子论”先河,并因“光电效应”于1921年获得诺贝尔奖。
7月,爱因斯坦测定了份子和原子的存在。
9月,创建了狭义相对论。
11月,按照狭义相对论推导出E=MC2。没有这个公式,就没有原子弹。 就这样,爱因斯坦用半年时候,连发五篇神作般的论文,如闪电划破黑夜,把全部物理学的乌云刮跑了,如同球场上26岁的马拉多纳
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,在物理天下中“连过五人”,归纳“世纪进球”。
可是!以上这些都是“事后诸葛亮”。在1905年,实在情况不是这样的。 这些金光闪闪的论文,既没有帮他获得博士文凭,也没有帮他获得一份教职,哪怕是在中学教书。假如他这时放弃理论研讨,物理界也绝不惋惜。 1907年,伯尔尼大学拒绝了他无俸讲师职位的申请。 炎天,物理届大佬普朗克,就是量子物理的奠基人,派助手冯·劳厄去打仗爱因斯坦。劳厄到了瑞士,惊奇地发现爱因斯坦居然不是伯尔尼大学的教授。“所以我没跟他打号召,”劳厄回忆说,“他给我递了一支雪茄,它难闻极了,我将它丢到了河里。”
拮据的爱因斯坦,看到苏黎世一所高中招聘多少教员,就去招聘了,还附上了狭义相对论论文,在21名申请者中,他早早被刷了。
后来,他委曲当上了伯尔尼大学的无俸讲师,他讲授热理论,听课者三人;他讲授辐射理论,听课者一人,最初课程取消了。
好吧,“冷酷的人,感谢你们已经看轻我。”爱因斯坦于1907年11月起头,单独踏上了通往物理学史上最文雅、最震动民气的征途——广义相对论的证实。
几年以后,他将名扬全国,他此前上课的每一次散乱、枝梧和肮脏也将成为众人的美谈。
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广义相对论
秋去冬来。
转眼到了1915年的11月,间隔“狭义相对论”提出已经整整十年,间隔证实“广义相对论”已经八年。爱因斯坦要放大招了。
牛顿曩昔说,苹果是从树上砸下来的,由于地心引力。他提出了“万有引力”理论。
爱因斯坦说,差池,苹果掉下来,是由于它正在落到地球质量酿成的时空小坑里。
举例来说,先看图:
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图源:www.uh.edu

把宇宙时空设想成一张蹦床,蹦床原本是平的,现在往上面放个球,有球的地方四周就压成曲折的了,曲折了四周的时空。随后,小球就会沿着大球四周凸起进去的地方绕转转动。地球围绕太阳公转也就是这个事理。广义相对论诠释,这叫“物资告诉空间若何曲折”。
这与牛顿说的地球因太阳的引力而转动截然分歧。在广义相对论里,引力的本质,就是终间的形变,它影响了物资的活动,这叫“空间告诉物资若何活动”。 了解了这张图,便可以说是广义相对论入门了。
最巨大的理论,最简洁的思惟。 1915年11月末,爱因斯坦在普鲁士科学院报告《引力的场方程》时,完成了广义相对论的诠释。一路来欣赏一下“宇宙之美”的方程:
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此时,36岁的爱因斯坦对宇宙做出了历史上最具设想力的批改。对于这个方程,量子力学奠基人、诺奖得主玻恩称赞“人类思考自然的最巨大成就,哲学洞察、物理直觉和数学技能最使人赞叹的连系”。有了相对论,人类的时空观将发生完全改变。 可是!在那时,除了圈内一些人认可外,社会上对这一过于超前的理论普遍懵懂,更不成能相信牛顿能被颠覆。 现在,还需要一场尝试来证实相对论的正确。
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命运 曩昔的常识里,人们以为光在真空中永久走直线。 但按照爱因斯坦的诠释:引力会使光芒曲折,他还预言了光经过太阳四周的强引力场时曲折的水平。 证据呢? 困难之处在于太阳光太刺眼,四周的星光都被太阳给袒护了。最好机会惟有期待日全食的出现,用月亮盖住太阳光。假如这时,藏在太阳正背后的恒星发出的光,可以观察到,就说明太阳曲折了光的线路,很好证实。
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图源:www.bbvaopenmind.com 证实爱因斯坦这类极富远见、极为宏观的理论,需要花费庞大的人力、财力。很多巨大的理论料想创建者,在老去甚至去世多年以后才得以证实其代价,像日心说、大陆漂移说、费马大定理……那时还是一战时代。更别提,日全食数十年才有一次,而且需要发生当天观察点还不能下雨。 可见证实广义相对论,不但需要智力,更重要的是命运。爱因斯坦是很是荣幸的。 第一份荣幸是,这一天来得很快,三年后的1919年5月29号,就有一越日全食。而错过这一次,要等到20多年后的1937年6月8日。 第二份荣幸是,碰到了正确的人。在反德情感高涨的英国,剑桥天文台台长阿瑟·爱丁顿与皇家天文学家弗兰克·戴森爵士,却被相对论深深吸引,死力游说政府找到了经费,压服了英国水兵部,鄙人一越日全食时代率领一支远征队去检验广义相对论。 第三份荣幸是,天空做美。爱丁顿率队前往最好观察点非洲普林西比岛。日全食当天早上,雨下得很大,但日食邻近时,天空起头放晴。爱丁顿抓拍了16张照片,日珥很是明显, 1.7弧秒的偏折,合适爱因斯坦的预言。  半年后。 1919年11月6日下午,英国皇家学会与皇家天文学会齐聚在皮卡迪利大街的伯林顿会馆,大厅中悬挂着牛顿的巨幅肖像,严肃地俯视着全场,议程惟有一项:听取关于日食观察的报告。爱丁顿宣读了观察成果:广义相对论,说得对。 11月7日,伦敦的《泰晤士报》刊登了以下三行大题目: 科学中的反动!新的宇宙理论!牛顿思惟被颠覆! 爱因斯坦申明大震,获得了天下性声誉。远在柏林的爱因斯坦听到这一消息后,买了一把新小提琴以示庆贺,他后来写道:“牛顿啊,请谅解我。”
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图:拉小提琴的爱因斯坦,来历:视觉中国 到此,这篇略显烧脑的思维穿越观光竣事了。105年来,时候观光、原子裂变、宇宙大爆炸、暗能量、黑洞、虫洞、引力波……从简洁美好的相对论公式里,人们时不时从中解出关于宇宙的奥秘,明天,还有很多未知的内容期待我们去发现、去完善。  【参考文献】《爱因斯坦传》,沃尔特·艾萨克森《爱因斯坦的机遇与眼光》,杨振宁《星际穿越》影片《星际穿越中的科学》记载片


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