爱因斯坦是谁？

这是一个简单又复杂的问题

他是专利局的小职员

是诺贝尔物理学奖得主

是狭义相对论的提出者

是广义相对论的奠基人

还是量子物理的开拓者

他的学说不断被质疑

却总是一次次证实为真

那些惊心动魄的理论

究竟是什么面貌？

北大科维理天文与天体物理研究所

研究员邵立晶

以简明有趣的介绍

带我们走进天才的世界

点击视频，探究爱因斯坦到底对了吗？

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一九零五奇迹之年

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爱因斯坦是谁？

毫无疑问，一位天才物理学家。

不过，在这之前，他只是专利局的一个小职员，日常爱好就是在下班之后推演物理公式。

而到了公元2000年，他的照片出现在《时代》杂志的封面时，头衔是“世纪第一人”（PERSON OF THE CENTURY）——在过去一百年里对人类做出了最大贡献、对人类影响最深远的一个人。

他究竟做了什么，对整个人类有如此影响？

毫无疑问，一位天才物理学家。

不过，在这之前，他只是专利局的一个小职员，日常爱好就是在下班之后推演物理公式。

而到了公元2000年，他的照片出现在《时代》杂志的封面时，头衔是“世纪第一人”（PERSON OF THE CENTURY）——在过去一百年里对人类做出了最大贡献、对人类影响最深远的一个人。

一切要从1905年说起。

这一年，小职员爱因斯坦发了几篇文章，人们后来发现这几个工作非常经典，对我们非常重要，它们分别是：布朗运动、光电效应和狭义相对论。

这都是些什么工作？

毫无疑问，一位天才物理学家。

不过，在这之前，他只是专利局的一个小职员，日常爱好就是在下班之后推演物理公式。

而到了公元2000年，他的照片出现在《时代》杂志的封面时，头衔是“世纪第一人”（PERSON OF THE CENTURY）——在过去一百年里对人类做出了最大贡献、对人类影响最深远的一个人。

先说说布朗运动。在平凡的一天，爱因斯坦看着水里的一些花粉漂来漂去，灵光一现，想到水是由分子组成的，物质是由分子、原子组成的——我们对世界的认识，由此深入到了更细微的一层。

再说说光电效应。爱因斯坦试图解答一个问题：光究竟是波还是粒子？他认为，光可以是粒子，也就是所谓的光量子。这一发现，将相关研究向前推进了许多年。而爱因斯坦甚至还能制作出很清晰的量子物理图像。

光电效应给爱因斯坦带来了一个奖项，诺贝尔物理学奖。

被大家认为最重要的是第三个——狭义相对论。它像“光彩夺目的火箭，在黑暗的夜空突然划出一道短促的但又十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域”。这是德布罗意对狭义相对论的评价。

德布罗意

02

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最耀眼的明珠

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牛顿对了吗？

关于狭义相对论，还不能马上从爱因斯坦说起，得回到另一位我们熟知的天才——牛顿身上。

当时牛顿有很多理论非常重要，但它们背后有一个非常深刻的假设，就是他的时空观。牛顿认为时间和空间是绝对的，而且是互不相干的，据此，朝着光跑的时候，应该测到更大的光速，跟光一起跑的时候，测到的光速会小一点。

可是，实验告诉我们，两次测出的光速是一致的。

正是基于这一点，爱因斯坦非常敏锐地意识到，光速是不变的，光速就是一个常数，进一步地，他提出了狭义相对论。

狭义相对论又对了吗？

这不由牛顿说了算，当然，也不由爱因斯坦。

因为物理学是一门实验科学，一切理论需要通过做实验证伪或证实。

在狭义相对论里，有一个著名的推论，叫做质量能量转化关系。核弹爆炸和核能发电都利用了这一关系，现在都已经可以检验到，且精度非常高。

那么，我们就可以说，狭义相对论相对于牛顿的绝对时空观来说，是一门更加先进的、正确的理论。

狭义相对论就没问题吗？

这个问题，爱因斯坦自己也在想。他发现，他的狭义相对论跟牛顿的引力理论在数学上是不相符的。所以他又有了新的任务：解决引力问题。

十年之后，广义相对论横空出世。

03

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爱因斯坦的“最美时光”

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广义相对论是什么？

这是一套关于引力的理论，它的厉害之处在于把时空和物质非常完整地结合在一起。爱因斯坦认为，有时空就应该有物质，有物质才会有时空。

对这套理论比较好的总结是：时空告诉物质怎么去运动，物质告诉时空怎么去弯曲。

如何从另一个角度理解引力？

20世纪有一个相当深刻的思想，叫做等效原理。爱因斯坦借此把引力与非惯性系就等价起来了。这在数学上可以证明，就意味着时空是弯曲的。

爱因斯坦后来想明白了这件事情，在他写传记时，把这件事情称为他一辈子中最美的时光——The happiest moment。

想太空漫游怎么实现？

了解广义相对论，一些科幻作品当中的“bug”就得到了合理的解释。比如电影《太空漫游》，有人在舱板上跑步，可是这时不是应该失重吗？怎么能在舱板上跑步呢？

其实很简单，有一个环形的太空船把它转起来，转起来后就会有一个叫做离心力的力，它就是一个非惯性系，是所谓的人造引力，有了引力就可以跑步了。

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暂时的胜利

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关于广义相对论，爱因斯坦这回对了吗？

科学具有可证伪性。

在太阳系中，我们可以通过各种实验去检验爱因斯坦的各种理论。在太阳系里，引力非常弱，爱因斯坦的引力理论与牛顿引力理论相差只在百万分之一。

但我们的探测精度非常高，能够达到比这个精度更高的量级，所以能够去检验微小的偏离。在这个微小的偏离上，爱因斯坦的广义相对论完胜牛顿引力。

他是不是什么地方都对了？

只在太阳系里做检验，仍不具备说服力；更何况，人类的雄心也不止于此。

我们将目光投向一个叫做中子星的东西。它是一个质量比太阳还大一点，体积却只有海淀区这么小的一类物体，非常致密，引力场也非常强。

在夜空中，中子星就像灯塔一样旋转，每转一圈都会被观测到，这是一个非常可靠的稳定转动的钟。

我们要探测什么？

一堆中子星这样的钟在时空中分布。我们在地球上建造了专业级的大型射电望远镜，这堆钟就又可以通过望远镜联系起来，形成所谓的脉冲星测时阵列，这样的阵列可以探测引力波。

建在中国贵州的“天眼”，其中很重要的一个科学目标就是测引力波。

引力波真的存在吗？

在我们探测到引力波之前，爱因斯坦自己在1916年已经算出了引力波。过了几年他又反悔了，说没有引力波，他算错了。

于是，爱因斯坦问，爱因斯坦对了吗？

再过几年，他又发现算对了。又问：爱因斯坦对了吗？

就这样反复“横跳”，不断质疑权威，也不断质疑自己。但过去始终未能探测到引力波。直到2015年9月14日，我们成功测到了引力波，证实了爱因斯坦的理论版图。

美国两根臂长分别为4公里的引力波探测器

人类所看到的第一例引力波事例

广义相对论的直接“检验者”是谁？

其实我们第一例测到的引力波事例来自于黑洞。黑洞也是爱因斯坦的广义相对论预言的天体，它非常神奇，是时空非常扭曲的一种状态。

2019年，事件视界望远镜拍到了黑洞的第一张照片，也是对爱因斯坦广义相对论的一次直接的检验。

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永远在路上

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世界上只有三个人能懂？

爱因斯坦的广义相对论并不是一门随便说说就可以理解的理论，相反，它的深刻程度常常让人心惊而折服。

爱丁顿爵士是世界上第一个测量光线偏折的科学家。当时有一个记者采访时谈到：“听说这个世界上只有三个人懂爱因斯坦的广义相对论。”

爱丁顿一愣：“除了我和爱因斯坦，谁是第三个呢？”

爱丁顿爵士

费曼和爱因斯坦也有故事？

费曼是美国著名的物理学家，也拿过诺贝尔物理学奖。

有一次，他去参加一个相对论的研讨会，下了飞机以后忘记了地址。

费曼想了想，直接询问出租车司机：“你有没有看到这样一群人，他们脑袋抬得高高的，对周围的事和人都不关心，嘴巴里总是说着gee-mu-nu, gee-mu-nu, ...？”

司机一听，马上把他送到了正确的地方。

gee-mu-nu，就是广义相对论中描述时空特征的量。

费曼

究竟有没有人可以挑战广义相对论？

爱因斯坦的理论到目前为止，在我们的检验上没有出现偏差或偏离。可以说在现在的实验精度上，爱因斯坦是对的。

但从理论上看，还存在一些问题。比如它不能解释的黑洞奇点问题，以及它不能融入量子时空的问题；还有暗物质、暗能量，现在我们还不知道是什么。

光芒永存

爱因斯坦于1955年逝世，当时他的遗嘱执行者念了一首诗来缅怀他：

“

我们全都获益不浅，全世界都感谢他的教诲，专属于他个人的东西，早已传遍广大人群，他将像行将陨灭的彗星，光华四射，同他的光芒永相结合。

曾经的爱因斯坦，在极为细微的偏差里超越了牛顿，而他的烁光，始终照耀着人类，是群星中闪亮的一颗。

未来，我们又会迎来怎样的天才呢？

来源：北京大学科维理天文与天体物理研究所、格致论道

图片：视觉中国、百度百科、360百科

编辑：黄熙