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啊,牛顿,请原谅我

来源:解雕侠 编辑:JDX22 时间:2022-12-18 9:48:16

很多小伙伴玩家都不太清楚啊,牛顿,请原谅我,那么今天解雕侠小编给大家带来一篇 相关的文章,希望大家看了之后能有所收获,最后请大家持续关注我们!

2019年4月10日晚上21点。

全人类兴奋地等待着照片的发表。

发表前,科学家们看起来非常高调和自信。

照片一出,马上在朋友圈刷屏,有好奇心,有赞美,也有疑惑。 ——是人类首次确认黑洞的存在。

图:“黑洞,活动视野望远镜”发布

左图是科学家根据现有宇宙理论计算出的黑洞,右图是这次实际拍摄的。 可以看出两者已经非常相似。 这标志着理论预测再次取得重大成就,使人类在“从哪里来、到哪里去”的终极问题上又迈出了一步。

那是什么理论这么有远见?

本文将时间推迟到105年,1915年,爱因斯坦提出了广义相对论。 有相对论,我知道了黑洞这个东西。

星际旅行

上图发表前,人们对黑洞印象最深的场景,是最接近真实黑洞的,来自科幻电影《星际穿越》。 截至2020年8月,这部电影正在各院线再次上映呢。

电影中出现了地球黄沙席卷、农作物灭绝、自然环境恶化、几乎没有留给人类的景象的故事。 美国航天局的科学家在土星附近发现了“虫洞”。 通过这条“时空隧道”,可以突破人类科学技术的极限,寻找生命延续的星球。 35岁的主人翁库珀告别了10岁的女儿墨菲,完成了这次太空飞行任务。 但是,宇宙飞行一小时相当于地球上的七年。

在宇宙中,库珀经历了时空扭曲,坠入黑洞,进入超维空间。 库珀再次见到女儿时,已经124岁,生理年龄37岁,女儿从生理上和现实上看都是99岁。 也就是说,爸爸比女儿年轻62岁。

图: 《星际穿越》父女变化

相对论已经明确了这一点。 是“时间变慢的机制”,物体的运动速度越快,其时间的流逝就越慢。 超高速飞行的爸爸库珀绕了宇宙一圈,变得比女儿“年轻”。 非常适合物理学的原理。

同样,长年在空中的飞行员和空姐必须比地面上的同龄人年轻一些。 当然,只是一点点。 飞机的速度还不够快,所以飞一辈子也不到一秒钟。 要实现“天一天,人一年”的效果,需要提高速度到接近光速。

《星际穿越》中超远距离旅行利用“虫洞”,虫洞是时空曲折、连接空间两部分的小隧道。 例如,从北京到西雅图,通过地球表面飞行需要很远很长时间,但如果在地球上打孔穿过,路程就会大幅缩短。 同样,在宇宙中,你可以通过虫洞从太阳系穿越到另一个星系。

图:虫洞,来源: 《星际穿越中的科学》

库珀又把我们带到了黑洞。 黑洞的重力很强,任何东西落入黑洞,包括光在内都永远不会回来。 人坠落的体验是什么样的呢? 被潮汐力从侧面压下去变成面,而且身体下半部分的重力比上半部分的重力强得多,最终重力之差会把你撕碎。 但是,电影采用了“平静的奇点”的表现,没有撕裂库珀。

图: 《星际穿越》黑洞。 为了展现黑洞,剧团召集了30人的科研团队,使用数千张CPU进行了一年的运算,计算了电影中的黑洞。

《星际穿越》有几条鸿沟,但别以为剧本都是异想天开。 其中,虫洞、黑洞、奇点……都是基于广义相对论推导出来的。 电影科技领袖基普森因对引力波观测做出决定性贡献而获得2017年诺贝尔物理学奖,也是黑洞倡导者约翰惠勒的传人。

毫不夸张地说,当今以宇宙为题材的科幻小说,各种脑洞洞开的奇思妙想,几乎都是广义相对论的推论。

著名物理学家杨振宁赞美说:“作为一场科学革命,广义相对论在人类历史中是独一无二的; 这个构想产生了宏伟、美丽、广阔、令人敬畏的宇宙学,而且是由一个人孕育完成的。 那都让人想起《旧约》的创世篇。 ”

这位创造者是阿尔伯特爱因斯坦。

创世前

20世纪初,古典物理学大楼建成。 德高望重的开尔文爵士在英国的演讲中自信地说。 “目前,没有什么可以在物理学中发现的。 剩下的只是让测量越来越准确。 ”

但是,在晴朗的天空的远处,弥漫着不安的乌云。

1905年,在西方,“牛顿奇迹之年”过去了整整240年,在东方,是清朝的光绪31年。 在瑞士,26岁的伯尔尼专利局助理估价师爱因斯坦,每周六上课,拿着3500法郎的工资,勉强养家糊口。 他这项工作,还是拜托同学的父亲从后门找来的。

这份工作最大的优点是闲着没事被他的常人看作疯子的思维实验——“如果我飞得和光一样快,我会看到什么呢? ”

想想看,很辛苦。

图: 1905年爱因斯坦,来源:视觉中国

这一年6月,爱因斯坦发表的论文提出了“光量子假说”,开创了“量子论”的先河,因“光电效应”于1921年获得诺奖。

7月,爱因斯坦测量了分子和原子的存在。

9月,狭义相对论创立。

11月,根据狭义相对论导出了E=MC2。 没有这个公式就没有原子弹。

就这样,爱因斯坦花了半年的时间,雷厉风行地连续发表了五篇神作般的论文,驱散了整个物理学的乌云。 简直就像球场上26岁的马拉多纳

,在物理世界中饰演“五人相连”、“世纪的终点”。

但是! 这些都是“事后诸葛亮”。 在1905年,实际情况并非如此。

这些金光闪闪的论文既没有帮助他获得博士学位,也没有帮助他在中学教书。 如果他此时放弃理论研究,物理界也不会吝惜。

1907年,伯尔尼大学拒绝了他的无薪讲师一职的申请。

夏天,物理期的大人物普朗克接触了量子物理的创始人、助手冯劳亚和爱因斯坦。 拉维到了瑞士,惊讶于爱因斯坦不是伯尔尼大学的教授。 “所以我没有和他打招呼,”拉乌回忆说。 “他把雪茄递给了我。 那个很讨厌,扔在河里了。 ”

挤得满满当当的爱因斯坦,在苏黎世一所高中招聘几何老师后报名,并附有狭义相对论论文,在21名应聘者中早早就被磨掉了。

之后,他勉强成为伯尔尼大学的无薪讲师,他讲授热理论,有三个学员,他讲授放射线理论,一个学员,最后一节课取消了。

那么,“冷漠的人,谢谢你看不起我。 ”爱因斯坦从1907年11月开始,独自踏上了物理学史上最优雅、最震撼的旅行——广义相对论的证明。

几年后,他将扬名天下,他以往所有的功课都将是散乱、支吾、懒散的美谈。

广义相对论

秋去冬来。

转眼到了1915年11月,“狭义相对论”被提出整整10年,“广义相对论”被证明也过去了8年。 爱因斯坦会放大招募。

牛顿以前说过苹果是从树上掉下来的。 是重力的缘故。 他提出了“万有引力”理论。

爱因斯坦,不是。 苹果掉下来是因为它掉进了地球质量带来的时空小洞里。

例如,先看看图吧。

图片来源: www.uh.edu

把宇宙的时空想象成蹦床吧。 蹦床本来是平的,现在把球放在上面,球所在的地方周围就弯曲了,弯曲了周围的时空。 随后,小球沿着凹进的地方绕着大球旋转。 地球绕太阳公转也是这个原因。 广义相对论把这解释为“教物质如何向空间弯曲”。

这和牛顿说的地球因太阳的引力而旋转完全不同。 在广义相对论中,重力的本质是空间的应变,影响物质的运动。 这叫做“告诉你空间如何作用于物质”。

理解了这张图,可以说是广义相对论入门。

最伟大的理论,最简洁的思想。

1915年11月底,爱因斯坦在普鲁士科学院演讲《引力的场方程》时,完成了对广义相对论的解释。 一起来欣赏一下“宇宙之美”的方程式吧:

此时,36岁的爱因斯坦对宇宙进行了历史上最富有想象力的修改。 对于这个方程式,量子力学创始人、诺奖获得者伯恩称赞说:“人类思考自然最伟大的成就,哲学洞察、物理直觉和数学技巧的最惊人的结合。” 有了相对论,人类的时空观就会完全改变。

但是! 当时,不仅圈内一些人承认,社会上对这一过于先进的理论普遍无知,不相信牛顿会被推翻。

现在需要进行证明相对论正确性的实验。

运气好

以前的常识认为,光在真空中永远在直线上前进。

但是根据爱因斯坦的解释,重力会使光弯曲。 他还预言了光通过太阳附近的强重力场时弯曲的程度。

证据呢?

困难的地方是太阳光太刺眼了,周围的星光被太阳遮住了。 最佳时机只是等待日全食的出现,用月亮遮住太阳光。 这时,隐藏在太阳正后方的恒星发出的光可以观测到,这表明太阳弯曲了光的路线,得到了很好的证明。

图片来源: www.bbvaopenmind.com

要证明爱因斯坦这样有远见、极其宏观的理论,需要巨大的人力和财力。 许多伟大的理论猜想创立者在年老多年后才得以证明其价值。 例如,日心说、大陆漂移说、费马大定理……当时还处于一战之间。 更何况,日全食几十年只有一次。 另外,当天的观测点不能下雨。

可见,证明广义相对论,不仅需要智力,还需要运气。 爱因斯坦非常幸运。

第一个幸运的是,这一天来得很早,三年后的1919年5月29日发生了日全食。 这次错过是到20多年后的1937年6月8日为止。

第二个幸运是遇到了正确的人。 在反德国情绪高涨的英国,剑桥天文台台长亚瑟爱丁顿和皇家天文学家弗兰克戴森爵士对相对论着迷,敦促政府找到经费,说服英国海军省,在下一次日全食期间率领远征队验证广义相对论

第三个幸运是天空很美。 爱丁顿率队去了非洲的普林西比岛最高观测点。 日全食早上雨下得很大,但日食临近时,天空开始放晴。 爱丁顿拍了16张照片。 日珥很明显,1.7弧秒的偏折,符合爱因斯坦的预言。

半年后。

1919年11月6日下午,英国皇家学会和皇家天文学会聚集在皮卡迪利大街的伯灵顿会馆。 大厅里挂着牛顿的巨大肖像画,威严地俯视着会场。 议程只有一个,就是听关于日食观测的报告。 爱丁顿宣读了观测结果《广义相对论,正确》。

11月7日,伦敦的《泰晤士报》刊登了以下三行大标题:

科学上的革命!

新的宇宙理论!

牛顿的思想被推翻了!

爱因斯坦享有很大的声誉,享誉全球。 在柏林的爱因斯坦听到这个消息后,买了一把新小提琴以示祝贺。 他后来写道:“牛顿啊,请原谅我。”

图:拉小提琴的爱因斯坦,来源:视觉中国

至此,这一点点烧脑的思考结束了旅行。 105年以来,时间旅行、核裂变、宇宙大爆炸、暗能量、黑洞、虫洞、引力波……从简洁优美的相对论公式中,人们不时地解开关于宇宙的奥秘。 今天,有很多未知的内容等待着我们去发现、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》视频

《星际穿越中的科学》纪录片

来源:中央电视台

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