文章來源：格致論道講壇
“我們?nèi)极@益不淺，全世界都感謝他的教誨，專屬于他個人的東西，早已傳遍廣大人群，他將像行將隕滅的彗星，光華四射，同他的光芒永相結(jié)合?！?/span>
邵立晶
北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員
愛因斯坦究竟對了嗎？
如果想問愛因斯坦對了嗎，首先就得知道愛因斯坦何許人也。
大家想必都聽說過，他是一位非常偉大的物理學家。但是大家可能并不知道，他曾經(jīng)被評為“世紀第一人”。
這是2000年時代雜志舉辦的一個評選，想選出上一個世紀，即整整100年里對人類做出了最大貢獻、對人類影響最深遠的一個人。
當然上個世紀有很多事情、很多人，比如發(fā)生過兩次世界大戰(zhàn)，也涌現(xiàn)出很多人物。
經(jīng)過評選，我們一致認為，愛因斯坦可以成為當之無愧的世紀第一人。
他被評為了Person?of?the?Century，即所謂的世紀第一人。
愛因斯坦的奇跡年
他究竟做了什么事情呢？這就得從1905年說起。
那時的愛因斯坦其實不太得意，他的工作也沒找好，在一個專利局里當小職員。平時有點小愛好，喜歡推物理公式，工作之余算一算東西。
1905年，他破天荒地發(fā)表了幾篇文章，人們后來發(fā)現(xiàn)這幾個工作非常經(jīng)典，對我們非常重要。
其中有三個比較重要的工作，第一個是布朗運動。
他看著水里的一些花粉漂來漂去，由此推出水是由分子組成的，物質(zhì)是由分子、原子組成的。
這是一個偉大的結(jié)論，一個對世界更深一層的認識。
第二個工作叫做光電效應(yīng)，就是研究光的。
光照來照去，那么它到底是波還是粒子呢？
于是愛因斯坦就提出，光可以是粒子，也就是所謂的光量子。這個相對于當時的其他物理學家們，提前了很多年，并且有很清晰的量子物理圖像。
第三個非常重要的成果，叫做狹義相對論。
這三個成果之中，第二個成果讓愛因斯坦拿到了一個“小獎”，叫做諾貝爾物理學獎。
#p#分頁標題#e#可是在這三個工作中，被大家認為最重要的，是狹義相對論。
狹義相對論究竟是一個什么樣的理論？這就要從當時的歷史情景講起。
當時物理學界有一個權(quán)威人物叫牛頓，愛因斯坦可能是去聽了一場報告，叫做“牛頓對了嗎”。
當時牛頓有很多理論非常重要，但它們背后有一個非常深刻的假設(shè)，就是他的時空觀。
時空是什么？
時：時間，連綿不絕?？眨嚎臻g，無限擴展。
牛頓認為時間和空間是絕對的，而且是互不相干的，這跟我們所認為的時空非常類似，我們就生活在這樣的一個時空里面，我們在時空里運動。
可是愛因斯坦認為當時的一個測光速的實驗，就是一束光照向你，你朝著光束跑，和你跟著光束在同一個方向一起跑、逆著跑，測到的光速是一樣的，總是測不出來差別。
如果是牛頓的時空觀，朝著光速跑的時候，應(yīng)該測到更大的光速，跟光速一起跑的時候，測到的光速會小一點。
可是不是實驗告訴我們，它們是一樣的？
正是基于這一點，愛因斯坦非常敏銳地意識到，光速是不變的，光速就是一個常數(shù)。
愛因斯坦提出這一點后，對牛頓的時空觀產(chǎn)生了一個非常大的挑戰(zhàn)，從而他提出了狹義相對論。
狹義相對論被愛因斯坦提出來后，它對了嗎？
在物理學中，對與不對不是由權(quán)威說了算的。
物理學是一門實驗科學，需要通過做實驗，去研究它對還是不對，跟實驗相符的就有可能對，跟實驗不相符的肯定是錯的。
舉一個簡單的例子，愛因斯坦的狹義相對論里有一個著名的推論，叫做質(zhì)量能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，就是質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。它的質(zhì)量大的話，可能能量也大。
但這個東西到底對不對，是需要經(jīng)過實驗檢驗的。
實驗檢驗有很多種，比如核彈的爆炸，其實就是利用了能量質(zhì)量轉(zhuǎn)化關(guān)系。
還有核能發(fā)電廠，也是利用了能量質(zhì)量關(guān)系。這些關(guān)系現(xiàn)在都已經(jīng)可以檢驗到，精度非常高。
所以狹義相對論相對于牛頓的絕對時空觀來說，是一門更加先進的、正確的理論，它也在物理學界得到了非常好的評價。
德布羅意先生就評價狹義相對論像光彩奪目的火箭，在黑暗的夜空中，突然劃出一道短促而又十分強烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域。
可是，愛因斯坦得到狹義相對論后并不滿足，他又在想，狹義相對論挺好，可是是不是還有什么問題？
比如他發(fā)現(xiàn)他的狹義相對論跟牛頓的引力理論在數(shù)學上是不相符的#p#分頁標題#e#，這是需要解釋的。不相符，可能有一個錯了，或者兩個都是錯的。
大家知道，牛頓的引力理論是非常深入人心的。比如蘋果從樹上往地上落，月亮繞著地球轉(zhuǎn)，天與地的事情都歸它管，它是一個管天和地的理論。
如果說它是錯的，就需要有更加強的證據(jù)來說明這件事情。
愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，狹義相對論與牛頓引力不相符，他想要解釋這個矛盾，這件事情并不被十分看好。
當時有一個叫普朗克的人，他相當于一個前輩。
他碰到愛因斯坦時說：哎呀，愛因斯坦，你做的狹義相對論太好了，非常好，我每天可能都要用一用。可是現(xiàn)在一切都解釋明白了，你為什么還在忙于另一個問題呢？
十年磨一劍之廣義相對論
另一個問題就是引力問題，愛因斯坦并沒有因此感到沮喪，而是接著做這方面的研究，整整做了10年，從1905年做到1915年。
他終于把這個矛盾解決了，提出了一套廣義相對論的引力理論。這套理論非常厲害，它把時空和物質(zhì)非常完整地結(jié)合起來。
他認為有時空就應(yīng)該有物質(zhì)，有物質(zhì)才會有時空。這是一套非常顛覆人類對時間和空間認識的理論。
對這套理論比較好的總結(jié)是：時空告訴物質(zhì)怎么去運動。
在這張圖中大家可以看到，因為這個小球是物質(zhì)，它在動，導(dǎo)致時空彎曲，另外，時空告訴物質(zhì)怎么去運動。這是一套關(guān)于時空與物質(zhì)相互作用的引力理論。
給大家解釋一個上世紀最深刻的思想，沒有之一 ，叫做等效原理。
愛因斯坦是第一個把這個東西看得非常高的人，這個問題是這樣的，愛因斯坦站在秤上想稱稱體重 ，他看到有一個體重數(shù)。
扔一個球，球會往下掉，因為有引力，放到火星上可能輕一點，但是也有引力。
有一個好事之徒做了一件事，他把愛因斯坦、秤和球同時往下扔。
愛因斯坦還是站在秤上，球還是在往下掉，但是愛因斯坦看這個球沒有往下掉，因為他在和球一起往下掉，而且他看體重器沒有體重，因為秤在和他一起往下掉。
這時，愛因斯坦、秤和球處于一個叫做慣性系的參考系。
相反，愛因斯坦站在地上稱體重，是非慣性系，那么引力與非慣性系就被等價起來了。
這在數(shù)學上可以證明，就意味著時空是彎曲的。
當然 ，愛因斯坦后來想明白了這件事情，在他寫傳記時，把這件事情稱為他一輩子中最美的時光，The happiest moment。
大家可以想一想，為什么這件事情如此震撼了愛因斯坦？
#p#分頁標題#e#愛因斯坦在76歲過生日時，有人可能忘了準備禮物，就隨手給愛因斯坦弄了一個東西。
可能是一個一次性紙杯，下面做一個回形針，然后拴一根有彈性的繩子，掛兩個有重量的球。
這個東西很簡單，反正放在桌子上，就像左邊圖的樣子，但是這個時候它不是最自然的狀態(tài)，繩子被拉伸了，它最自然的狀態(tài)應(yīng)該是往回縮，怎么往回縮呢？
把它往下一放，在這個下落的過程中，你可以看到，這根繩子很快就把球縮回去了，它又處于一個最自然的狀態(tài)。
也就是說它受引力時，在一個非慣性系里，做自由落體時，在一個慣性系里。
這是一個非常深刻的思想，愛因斯坦當時也對這個禮物非常滿意。
這個東西在科幻作品中也有體現(xiàn)，比如太空漫游，有人在艙板上跑步，可是這時不是應(yīng)該失重嗎？怎么能在艙板上跑步呢？
很簡單，有一個環(huán)形的太空船把它轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)起來后就會有一個叫做離心力的力，它就是一個非慣性系，是所謂的人造引力，有了引力就可以跑步了。
楊振寧先生說過一句話：二十世紀物理學有三個大的貢獻，其中兩個半是愛因斯坦的。兩個指的是狹義相對論和廣義相對論，半個指的是光電效應(yīng)。
科學具有可證偽性
當然，有很多藝術(shù)學家也對時空彎曲有自己的解釋，他們做出了非常漂亮的藝術(shù)作品。
可是，愛因斯坦的廣義相對論不是一門非常簡單的理論，剛才只是給大家講了一個最核心的思想。這件事情可以從一位記者問愛丁頓爵士的問題中體現(xiàn)出來。
愛丁頓爵士是世界上第一個測量光線偏折的科學家。當時有一個記者問他：愛丁頓爵士，聽說這個世界上只有三個人懂愛因斯坦的廣義相對論。
愛丁頓一愣，除了我和愛因斯坦，誰是第三個呢？
從這件事中可以看到，廣義相對論是非常難的。
還有一個很有意思的問題，就是費曼的故事。
費曼是美國著名的物理學家，也拿過諾貝爾物理學獎。
有一次，他去開一個相對論的會，到了會場，下了飛機以后忘記了地址。
他就找到一個出租車司機問：你有沒有看到這樣一群人，他們腦袋抬得高高的，對周圍的事和人都不關(guān)心，嘴巴里總是說著gee-mu-nu，gee-mu-nu，。。。？
那個司機一聽，馬上把他送到了正確的地方。
gee-mu-nu是什么呢？
就是廣義相對論中描述時空特征的量#p#分頁標題#e#，這是一個非常有意思的團體。
科學具有可證偽性，愛因斯坦這回又對了嗎？
比如在太陽系中，我們可以通過各種實驗去檢驗愛因斯坦的各種理論。在太陽系中，引力非常弱，愛因斯坦的引力理論與牛頓引力理論相差只在百萬分之一。
但我們的探測精度非常高，能夠達到比這個精度更高的量級，所以能夠去檢驗微小的偏離。在這個微小的偏離上，愛因斯坦的廣義相對論完勝牛頓引力。
還有大家經(jīng)常用的GPS全球定位系統(tǒng)，里面就有相對論效應(yīng)。
如果不考慮狹義相對論效應(yīng)，那么一天便會有兩公里的偏差，如果不考慮廣義相對論效應(yīng)，一天就會有14公里的偏差。
那么愛因斯坦就對了嗎？這么高的精度的檢驗就對了嗎？他是不是什么地方都對了？
不一定。
我們又把眼睛望向了遙遠的星空，我們要做更加極端一點的事情，比如我們要考察一個叫做中子星的東西。
中子星的質(zhì)量比太陽要大一點，它的大小有海淀區(qū)這么大，非常小，所以它的密度非常高。
拿勺子裝一勺中子星的物質(zhì)，這個物質(zhì)的重量就比全球人的重量加起來還要多，是非常致密的一類物體，引力場也非常強，所以是一個檢驗引力的非常好的地方。
比如它在空中會像燈塔一樣轉(zhuǎn)，會被我們觀測到，每轉(zhuǎn)一圈都會被觀測到，這是一個非常可靠的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動的鐘。
我們的探測需要用專業(yè)級的大型望遠鏡去看。
這是建在中國貴州的中國天眼FAST望遠鏡，可以看到脈沖星，這是它的一個非常重要的科學研究目標。
脈沖星是一堆鐘在時空中分布，這堆鐘又可以通過這些大型的射電望遠鏡聯(lián)系起來，形成所謂的脈沖星測時陣列，這樣的陣列可以探測引力波。
愛因斯坦在1916年自己算出了引力波，過了幾年他又反悔了，說沒有引力波，他算錯了。
愛因斯坦問，愛因斯坦對了嗎？
過了幾年，他又發(fā)現(xiàn)算對了。又問，愛因斯坦對了嗎？
這是一種非常好的習慣，不僅是對權(quán)威有質(zhì)疑，對自身也有質(zhì)疑，這種習慣在科學中是非常重要的素質(zhì)。
我們現(xiàn)在其實已經(jīng)測到引力波了，我們在2015年9月14號測到了引力波，那時我也加入了他們的合作組，當時非常激動 ，我們用了非常長的時間去做這件事情。
這是測到引力波的望遠鏡，這是在美國的有兩根臂長分別是4公里的引力波探測器。
#p#分頁標題#e#這是人類所看到的第一例引力波事例，它非常微小需要非常精確的探測技術(shù)才能測到它。
其實我們第一例測到的引力波探測的事例是來自于黑洞的，黑洞是另外一個非常神奇的愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言的天體，它是時空非常扭曲的一種狀態(tài)。
去年，事件視界望遠鏡拍到了黑洞的第一張照片，也是對愛因斯坦廣義相對論的一次直接的檢驗。
我也是事件視界望遠鏡合作組的成員，非常有幸，我們在很高的精度上，不僅測到了雙黑洞并合的事例，也測到了雙中子星并合的狀態(tài)。
這個并合狀態(tài)過程對我們非常重要，因為它生成的一些元素，是地球和太陽系所不可或缺的元素。
愛因斯坦在1955年逝世了，當時他的遺囑執(zhí)行者念了一首詩來緬懷他。
他說：我們?nèi)极@益不淺，全世界都感謝他的教誨，專屬于他個人的東西，早已傳遍廣大人群，他將像行將隕滅的彗星，光華四射，同他的光芒永相結(jié)合。
思想晚餐
已完成：90% //////////
留住孩子的好奇心
愛因斯坦就是這樣一位世紀偉人。但是愛因斯坦如何評價他自己呢？
他很謙虛地說：我沒有特殊的才賦，我只是非常好奇罷了。
他敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，有一顆充滿好奇的心，這是我們現(xiàn)在，非常稀缺的一種品質(zhì)。
那愛因斯坦對了嗎？
愛因斯坦的理論到現(xiàn)在為止，在我們的檢驗上沒有出現(xiàn)偏差或偏離，在現(xiàn)在的實驗精度上，愛因斯坦是對的。
但我們的技術(shù)也在發(fā)展，可能什么時候他也會錯，就像牛頓的萬有引力一樣，它在很小的范圍內(nèi)偏離愛因斯坦的理論，最后被愛因斯坦的理論所取代。
在理論上來說，愛因斯坦的廣義相對論還存在一些問題。
比如它不能解釋的黑洞奇點問題，以及它不能融入量子時空的問題，還有暗物質(zhì)、暗能量，現(xiàn)在我們還不知道是什么。
所以我們這個時代也需要能夠挑戰(zhàn)權(quán)威、能夠提出問題的人。提問是非常重要的，就像我們做研究的人，經(jīng)?？吹降囊环鶊D。
這個白色的圈，表示人類的知識，我們做研究，是專門鉆一個很小的點，使勁鉆，最后能做出什么呢？
可能鉆了一個非常小的點，但是這個點是人類全新的知識，它將永遠被流傳下去。
#p#分頁標題#e#在這個過程中，好奇心非常重要，它驅(qū)使你能夠做這件事情，這件非常不好做的事情，它是不容易做的事情的原初動力。
所以大家一定要好好地留住孩子們的好奇心。