有人差点让爱因斯坦失去相对论 | 王木头讲科学

摘要: 爱因斯坦用了10年,有人用1年就赶上来了

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今天是王木头讲科学的第21期节目。



来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。






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1915年11月,爱因斯坦公布出了完整的广义相对论。他终于可以松一口气了,因为在这最后的半年里面,他差点就失去了广义相对论的独立发现权。他的竞争对手是希尔伯特,当时最伟大的数学家之一。

他们第一次见面是在1915年6月,前半年爱因斯坦正为了广义相对论紧张地工作着。他想到了一个方法,或许就是开启广义相对论的钥匙。他正在努力用这个方法去解释水星轨道异常的问题。他和希尔伯特沟通了一些这方面的想法,希尔伯特也认真听了,非常的感兴趣。而且希尔伯特还隐约地察觉到爱因斯坦的这个方法可能有问题。

没过多久,爱因斯坦也发现了其中的问题,用这样的方法并不能解释水星轨道的异常。很快希尔伯特也传来了消息,他明确指出了这个问题,并且还表示自己也会在这方面进行深入的研究。

爱因斯坦的压力一下子就增大了,这么多年的努力思考和工作,如果不能在希尔伯特之前先找到正确的方法,那么最后的成就一定会大打折扣。于是两个人就像是在进行赛跑一样,各自进行着自己的研究,都希望能比对方先得出正确的结果。


大卫·希尔伯特


希尔伯特给爱因斯坦带来了强大的压力,因为希尔伯特是数学家,有很强的数学能力,而这恰恰是爱因斯坦所欠缺的。不过还好,爱因斯坦在物理学上更优秀。两个人在能力方面不相上下。在强大的竞争压力下,爱因斯坦也罕见地爆发出了强大的创造力。

最后在11月,爱因斯坦成功地解释了水星轨道的异常,还大胆地预测出了光线经过太阳周围是会发生偏转的情况。几乎在同时,爱因斯坦也收到了希尔伯特的来信,他也完成了类似的工作。当然,最后希尔伯特还是非常慷慨大度,承认了爱因斯坦在广义相对论上的卓越贡献和优先发现权。之后这两个伟大的人因为互相欣赏,还建立了深厚的友谊。

后来的故事我们也知道了,爱因斯坦的广义相对论解释了水星轨道异常的问题,对光线偏转的预测也很快得到了验证,也有越来越多的人开始相信广义相对论是正确的,并且还以此作为基础进行研究。不过如此玄妙的理论在当时还是很难找到更多的证据来证明。所以最后到了1921年,即使所有的科学家都觉得爱因斯坦的贡献值得一个诺贝尔奖,不过最后仍然不是以他在相对论方面的贡献为他颁奖,反而是他在光电效应上的工作为他赢得了诺贝尔物理学奖。



这并不能怨评奖委员会保守,这恰恰是科学精神的体现。即使你再有名气,在没有绝对的证据之前,你仍然无法得到广大科学家的认可的,仍然需要面对各方面的质疑的。相对论太难得到证明了。想要观察到明显的相对论效应,要么是接近光速运动,要么是接近具有巨大重力的物体。这些就是以现在的科技都很难做到的。

不过还好,随着科技发展,支持相对论的证据也越来越多了。除了一开始的得到验证的水星轨道异常和星光偏转,引力改变时间快慢的效应也得到了验证。

我现在可以问你一个问题。我们知道,地球是有引力的,那么在高山上和在平地上,因为到地心的距离不同,受到的引力也不同。那么,是在高山上的人过的时间慢呢,还是在平地上的人过的时间慢呢?

你如果理解了我们之前的内容的话,一定知道引力越大时间越慢。所以才会有在黑洞周围旅游一圈,外面已经过了好几百年的说法。那就应该是距离地球越远引力越小,所以在山上的人过的时间快,平地上过的时间慢。得出这样的结论之后,你是不是觉得一定没问题了,这一定就是正确答案呢?

好的,我再问你一个问题,跑步的时候,是绕大圈跑的多呢?还是绕小圈跑的多呢?肯定是大圈对吧。半径大,周长就长。那么问题来了,站在高山上,到地心的半径增加了,这是绕大圈,平地上呢是绕小圈。同样都是24小时一圈,那么,是24小时跑大圈的速度快呢,还是跑小圈的速度快呢?肯定是大圈对吧。这就是说啊,站在高山上的人,运动的速度比我们的快。根据狭义相对论,运动快的人时间过得就慢,那结论应该是山上的人时间慢。这个和广义相对论得出的结论相反。



现在你再思考一下,你还百分百地确信刚才的答案就是正确的吗?是不是也开始犹豫了。好像广义相对论和狭义相对论产生了矛盾,那究竟该相信哪一个呢?当然还是两个都相信了,不过正确的答案还需要做更多的计算才行。计算出各自都分别对时间影响多少,然后相互抵消,剩下了的就是最终的效果了。

其实,你的答案是对的,的确是越高的人时间越快。这是因为广义相对论的效果更明显,减去狭义相对论的影响之后,还是会让时间变快的。而且你应该还明白了,如果有一个飞船虽然离地面很高,但是绕地球运行的速度不是24小时一圈,而是速度更快,那么它的时间到底是更快呢,还是更慢呢?就不好说了,还需要详细计算之后才能知道。

这个效应现在也得到了验证,而且所有的GPS定位系统都在利用这个结论。其实这也是我们日常生活中唯一个使用到相对论的地方。GPS能够定位,全靠天空中的人造卫星,通过至少三个卫星就可以定位到你的位置。在定位时,需要精确地将天空和地面的时间同步。因为我们刚才了解到的相对论效应,卫星的时间每天总是比赤道上的时间快个几十微秒。微秒是非常小的时间单位,是一秒的一百万分之一。这么点时间,虽然我们感觉不到,但是如果出现在GPS系统上,就会导致定位不准。如果是使用这样的系统来定位的话,那是会经常迷路的。



所以,GPS就是广义相对论最好的证据之一。

广义相对论的证据还有。不知道大家有没有过这样的一个疑问,光线没办法从黑洞中跑出来,到底都发生了什么。我们向上抛出一个小球,小球会被引力吸着先减速,然后掉头加速,落到地面。那光线会不会像抛向空中的球一样,是被黑洞的引力吸着降低速度,最后落到黑洞中的呢?如果这样的话,是不是只要引力够大,就会让光线的速度变慢呢?这样子,光速不变的原理还能正确吗?光速不变的原理如果错了,那么相对论就不对了,相对论不对的话,黑洞就不存在,黑洞不存在,是不是上面的问题也就不是问题了呢?好像进入了一个逻辑怪圈。

请大家放心,这样的情况并不会出现。挣脱引力飞出去光,并不会减慢速度。你会不会好奇,那到底会发生什么呢?我们要先明白,抛出的小球在努力挣脱引力的时候,代表速度的动能减少了,转化成了引力吸引的势能。



总之就是由一种能量转化成了引力势能,当小球下落的时候,势能会再把能量还回去的。光线挣脱引力,也是要把一种能量转化成势能才行。大家还记得是什么决定光线的能量吗?没错,就是光的频率,也就是光的颜色。紫色频率高,能量大,红色频率低能量小。所以,当光线挣脱引力飞出去的时候,看到的并不是光线速度变慢,而是颜色逐渐地向红色那边进行偏移。如果是从黑洞中飞出的话,那经历的就是还没有等飞出引力范围,光线的频率已经变成0而消失了。

这样的现象就叫做引力红移,也是得到了实际证明的。黑洞里的引力红移现象我们是观察不到的,光线跑不出来。但是黑洞附近或是其他重力非常大的星球是可以观察到的。通过引力红移现象还可以计算出星球的重量来呢。你能想到原理是什么吗?

好了,今天的内容就到这里了。从这几件事里面我们可以看得出来,一个科学理论的提出到证实是一个非常辛苦和严谨的过程。你会不会有过这样的想法,听过或是看过一些科学理论,感觉其中的结论很简单,并没有什么特别的。就比如牛顿的作用力和反作用力定律,你推箱子的力量和箱子反过来给你的力量是大小一样大,方向相反的。这个道理好简单,牛顿能想出来,如果自己早生个几百年,自己也能想出来,没什么大不了的。

有这样的想法很正常,我小时候也经常这么想。可是等我了解科学越多,越是发现没有这么简单。脑子里面蹦出一个想法简单,但是这个想法会带来什么影响,有没有其他理论和你想法冲突,如何设计实验验证你的想法,这些都是要经过自己和很多人的努力才能找得到答案的。这样才是科学精神真正体现的地方。


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