网站首页
除了引力波,爱因斯坦还有哪些惊人预测?
发布时间:2017-12-27   阅读次数:406   作者:知乎   来源:知乎

 

 

 

除了引力波,爱因斯坦还有哪些惊人预测?


 

       1905年是科学史公认的爱因斯坦的丰收年,除了博士论文外,爱因斯坦还连续完成了4篇重要论文,每一篇都开辟了新天地,都足以荣获诺贝尔奖。

 

       6月,解释光电效应,提出光量子学说;

 

       7月,解释布朗运动,分子动理学,间接地支持了分子存在;

 

       9月,《论运动物体的电动力学》,系统的提出了狭义相对论;

 

       11月,质能关系方程,ΔE=Δm·c^2,这是核反应能量的来源,实际上统一了质量守恒与能量守恒两大定律。

 

      他的系列论文充满了革命性思想,却只用了大学本科的数学工具,还没有任何参考文献。这样的事情今天是绝不可能再发生了!幸运的是,这些文章被送给量子论的创始人普朗克审稿,此公水平高超、思想活跃,又从来不压制年轻学者,一句话,不是“反动学术权威”。很快,文章都被推荐到德国物理年鉴上发表。

 

      此后,他又连续发表论文,建立起狭义相对论的全部框架体系。

 

      1905年以前,许多科学家都接近狭义相对论的发现,除了洛伦兹提出洛伦兹收缩和洛伦兹变换,拉莫尔已经推导出了运动时钟变慢的钟慢公式;数学物理大师庞加莱已经正确地阐述了相对性原理,并推断真空光速是常数,很可能是极限速率,存在以光速传播的引力波。其余的运动物体的质量公式质能方程均有人给出。

 

       但是,首先正确阐述狭义相对论,并给出了完整的理论体系和上述全部结论的是阿尔伯特·爱因斯坦。这是因为,只有他在“相对性原理”和“光速的不变性(绝对性)”两大基本概念上同时取得了突破。

 

      庞加莱在去世前夕(可能是1912年,我无法确定),应瑞士苏黎世工业大学邀请,对爱因斯坦申请教授席位发表了意见:

 

      “爱因斯坦先生是我所知道的最有创造思想的人物之一,尽管他还很年轻,但已经在当代第一流的科学家中享有崇高的地位......不过,我想说,并不是他的所有期待都在实验可能的时候经得住检验。相反,因为他在不同方向上的摸索,我们应该想到,他所走的路大多是死胡同。不过,我们也应该同时希望,他所指出的方向中会有一个是正确的,这就足够了。”

 

        ——看来,庞加莱大师还挺有风险投资机构的眼光,认为只要有一个项目成功,就足以对得住给他大学教授的席位。

 

       然而,历史的演变已经残酷地证明,爱因斯坦在1905年指出的所有方向都是正确的!

 

       在牛顿的万有引力定律中,引力是瞬时传播,超距作用,从一点到另一点并不需要时间。而狭义相对论认为光速c是物体运动的极限速率。

 

在广义相对论中引力(即时空弯曲)的传播需要时间,引力的传播速度是光速c。如果引力源头处的时空弯曲程度(可以用曲率挠率描述)随着时间变化,这种变化(时空涟漪)就会以光速c向远方传播,这就是引力波。

 

       早在1905年,狭义相对论诞生前夕,法国数学物理大师庞加莱就猜测可能存在以光速传播的引力波。1905年,爱因斯坦为了能够将万有引力纳入相对论的框架,开始研究引力,1907年提出等效原理,1911年得到光线在引力场中发生弯曲的推论,1913年开始与好朋友格罗斯曼一起将黎曼几何引进万有引力研究,1915年他与德国数学家希尔伯特讨论后不久,终于得到了场方程的正确形式。

 

       用爱因斯坦场方程可以精确地计算出,能量—动量(四维动量)的存在如何影响四维时空的弯曲。这是由10个二阶非线性偏微分方程组成的方程组,非常难解。

 

      1915年,爱因斯坦本人求出了场方程的近似解,提出了三个检验的实验方案:引力红移轨道进动光线偏折。至1919年,都得到了天文学观测的支持,爱因斯坦因此震动全世界,成为绝无仅有的与牛顿相提并论的巨人。

 

      1916年,德国数学家史瓦西给出了场方程的静态球对称真空解,这是一个严格解。使用这个解,可以算出著名的三大验证的数学结果,还可以用于研究最简单的黑洞——史瓦西黑洞的构造。

 

      1933年,爱因斯坦为躲避纳粹在中欧地区的崛起,离开了欧洲,移民美国,定居新泽西州,就职于新建成的普林斯顿高等研究院

 

       1937年,爱因斯坦和助手罗森完成了一篇研究引力波的论文,认为不存在引力波,投稿给期刊《物理评论》(Physical Review)。编辑部找到了著名物理学家审稿,这位专家写下了长达10页的评审意见,认为此论文有问题。编辑部把评审意见匿名后转交给爱因斯坦,并告诉他,在他按照审稿意见修改或做出令审稿专家满意的答复前,此论文不能发表。爱因斯坦勃然大怒:我老爱是什么样的人物?我是相对论这一物理学革命体系的缔造者和创始人,居然有人敢这样居高临下地向我的革命理论开火!他写了一封信给编辑部:“我十分抱歉,不知道贵刊还需要审稿,我没有授权你们把我的稿件拿给别人。请把稿件退还给我。”于是,编辑部退还并附带回信:“尊敬的爱因斯坦教授,我们也十分抱歉,我们不知道您不了解敝刊需要审稿。”

 

      此时,好友兼学生英费尔德来拜访,爱因斯坦拿出论文以及评审意见,问他有何看法。此公在1930年代与导师合作完成科普著作《物理学的进化》(The Evolution of Physics),主要介绍物理学观念从伽利略、牛顿时代的经典理论发展到现代的场论、相对论和量子论的演变历程。英费尔德阅读后拿不定主意,但想到本地有一位霍华德·罗伯特教授,正在研究广义相对论。于是乎,英费尔德在咖啡馆约见罗伯特,给他看了稿件和评审信件,征求其高明见解。罗伯特看完后指出了错误之处。英费尔德又去见爱因斯坦,转告罗伯特的观点。爱因斯坦仔细看后,发现自己的论文果然有错,于是他改写了论文,结论:引力波存在。他在论文结尾对罗伯特教授表示特别鸣谢,“感谢我的同事罗伯特教授在澄清原文中的错误时给予的亲切帮助”。然后将论文投给另一个期刊《富兰克林研究所杂志》 (Journal of the Franklin Institute)。

 

       爱因斯坦对《物理评论》耿耿于怀,从此不再给《物理评论》投任何论文。几十年过去了,当年的评审意见解密了,原来那位说爱因斯坦论文有错误并写下10页审稿意见的专家就是罗伯特教授。


 


 

 

 

 (编辑:紫薇文化人)

会员评论 注册| 登录
验证码: 看不清楚,点击图片刷新验证码
紫薇文化网版权所有