除了引力波,愛因斯坦還有哪些驚人預測?

2019-02-19 17:34:07

來源:知乎

1905年是科學史公認的愛因斯坦的豐收年,除了博士論文外,愛因斯坦還連續完成了4篇重要論文,每一篇都開闢了新天地,都足以榮獲諾貝爾獎。

6月,解釋光電效應,提出光量子學說;

7月,解釋布朗運動,分子動理學,間接地支持了分子存在;

9月,《論運動物體的電動力學》,系統的提出了狹義相對論;

11月,質能關係方程,ΔE=Δm·c^2,這是核反應能量的來源,實際上統一了質量守恆與能量守恆兩大定律。

他的系列論文充滿了革命性思想,卻只用了大學本科的數學工具,還沒有任何參考文獻。這樣的事情今天是絕不可能再發生了!幸運的是,這些文章被送給量子論的創始人普朗克審稿,此公水平高超、思想活躍,又從來不壓制年輕學者,一句話,不是“反動學術權威”。很快,文章都被推薦到德國物理年鑑上發表。

此後,他又連續發表論文,建立起狹義相對論的全部框架體系。

1905年以前,許多科學家都接近狹義相對論的發現,除了洛倫茲提出洛倫茲收縮和洛倫茲變換,拉莫爾已經推導出了運動時鐘變慢的鐘慢公式;數學物理大師龐加萊已經正確地闡述了相對性原理,並推斷真空光速是常數,很可能是極限速率,存在以光速傳播的引力波。其餘的運動物體的質量公式質能方程均有人給出。

但是,首先正確闡述狹義相對論,並給出了完整的理論體系和上述全部結論的是阿爾伯特·愛因斯坦。這是因為,只有他在“相對性原理”和“光速的不變性(絕對性)”兩大基本概念上同時取得了突破。

龐加萊在去世前夕(可能是1912年,我無法確定),應瑞士蘇黎世工業大學邀請,對愛因斯坦申請教授席位發表了意見:

“愛因斯坦先生是我所知道的最有創造思想的人物之一,儘管他還很年輕,但已經在當代第一流的科學家中享有崇高的地位......不過,我想說,並不是他的所有期待都在實驗可能的時候經得住檢驗。相反,因為他在不同方向上的摸索,我們應該想到,他所走的路大多是死胡同。不過,我們也應該同時希望,他所指出的方向中會有一個是正確的,這就足夠了。”

——看來,龐加萊大師還挺有風險投資機構的眼光,認為只要有一個項目成功,就足以對得住給他大學教授的席位。

然而,歷史的演變已經殘酷地證明,愛因斯坦在1905年指出的所有方向都是正確的!

在牛頓的萬有引力定律中,引力是瞬時傳播,超距作用,從一點到另一點並不需要時間。而狹義相對論認為光速c是物體運動的極限速率。

在廣義相對論中引力(即時空彎曲)的傳播需要時間,引力的傳播速度是光速c。如果引力源頭處的時空彎曲程度(可以用曲率撓率描述)隨著時間變化,這種變化(時空漣漪)就會以光速c向遠方傳播,這就是引力波。

早在1905年,狹義相對論誕生前夕,法國數學物理大師龐加萊就猜測可能存在以光速傳播的引力波。1905年,愛因斯坦為了能夠將萬有引力納入相對論的框架,開始研究引力,1907年提出等效原理,1911年得到光線在引力場中發生彎曲的推論,1913年開始與好朋友格羅斯曼一起將黎曼幾何引進萬有引力研究,1915年他與德國數學家希爾伯特討論後不久,終於得到了場方程的正確形式。

用愛因斯坦場方程可以精確地計算出,能量—動量(四維動量)的存在如何影響四維時空的彎曲。這是由10個二階非線性偏微分方程組成的方程組,非常難解。

1915年,愛因斯坦本人求出了場方程的近似解,提出了三個檢驗的實驗方案:引力紅移軌道進動光線偏折。至1919年,都得到了天文學觀測的支持,愛因斯坦因此震動全世界,成為絕無僅有的與牛頓相提並論的巨人。

1916年,德國數學家史瓦西給出了場方程的靜態球對稱真空解,這是一個嚴格解。使用這個解,可以算出著名的三大驗證的數學結果,還可以用於研究最簡單的黑洞——史瓦西黑洞的構造。

1933年,愛因斯坦為躲避納粹在中歐地區的崛起,離開了歐洲,移民美國,定居新澤西州,就職於新建成的普林斯頓高等研究院

1937年,愛因斯坦和助手羅森完成了一篇研究引力波的論文,認為不存在引力波,投稿給期刊《物理評論》(Physical Review)。編輯部找到了著名物理學家審稿,這位專家寫下了長達10頁的評審意見,認為此論文有問題。編輯部把評審意見匿名後轉交給愛因斯坦,並告訴他,在他按照審稿意見修改或做出令審稿專家滿意的答覆前,此論文不能發表。愛因斯坦勃然大怒:我老愛是什麼樣的人物?我是相對論這一物理學革命體系的締造者和創始人,居然有人敢這樣居高臨下地向我的革命理論開火!他寫了一封信給編輯部:“我十分抱歉,不知道貴刊還需要審稿,我沒有授權你們把我的稿件拿給別人。請把稿件退還給我。”於是,編輯部退還並附帶回信:“尊敬的愛因斯坦教授,我們也十分抱歉,我們不知道您不了解敝刊需要審稿。”

此時,好友兼學生英費爾德來拜訪,愛因斯坦拿出論文以及評審意見,問他有何看法。此公在1930年代與導師合作完成科普著作《物理學的進化》(The Evolution of Physics),主要介紹物理學觀念從伽利略、牛頓時代的經典理論發展到現代的場論、相對論和量子論的演變歷程。英費爾德閱讀後拿不定主意,但想到本地有一位霍華德·羅伯特教授,正在研究廣義相對論。於是乎,英費爾德在咖啡館約見羅伯特,給他看了稿件和評審信件,徵求其高明見解。羅伯特看完後指出了錯誤之處。英費爾德又去見愛因斯坦,轉告羅伯特的觀點。愛因斯坦仔細看後,發現自己的論文果然有錯,於是他改寫了論文,結論:引力波存在。他在論文結尾對羅伯特教授表示特別鳴謝,“感謝我的同事羅伯特教授在澄清原文中的錯誤時給予的親切幫助”。然後將論文投給另一個期刊《富蘭克林研究所雜誌》 (Journal of the Franklin Institute)。

愛因斯坦對《物理評論》耿耿於懷,從此不再給《物理評論》投任何論文。幾十年過去了,當年的評審意見解密了,原來那位說愛因斯坦論文有錯誤並寫下10頁審稿意見的專家就是羅伯特教授。

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