如果没有爱因斯坦世界会怎样,爱因斯坦还活着世界会怎么样

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-05-11 07:38:14

这张银河系中心附近恒星的20年延时图像是由欧洲南方天文台(ESO)于2018年发布的。可以看到,这些特征的分辨率在接近尾声时逐渐变得锐利,灵敏度也逐渐提升;与此同时,中心恒星一直在围绕一个看不见的点——银河系的中心黑洞——运行,这些都与爱因斯坦广义相对论的预测相符。

如果没有爱因斯坦,物理学能否取得同样的进步?

尽管爱因斯坦的科研生涯举世无双,但我们有许多理由相信,如果没有他,其他研究者也会在很短的时间内取得同样的成就。当然,我们无法确认这一点。我们赞美“爱因斯坦式的天才”,他作为独一无二的例子,展示了无与伦比、足以改变我们对宇宙认知的能力——他确实这么做到了。然而,即使没有爱因斯坦,他几乎一切的成就很可能都会实现。

在爱因斯坦之前,早在19世纪80年代,电子的发现者、英国物理学家约瑟夫·汤姆孙便开始认为具有移动带电粒子的电场和磁场一定携带着能量。他试图量化这种能量。这很复杂,但自学成才的英国物理学家奥利弗·亥维赛通过一组简化的假设,对此进行了计算:他确定带电粒子携带的“有效质量”与电场能量(E)除以光速(c)的平方成一定比例。亥维赛提出的比例常数是4/3,与他在1889年计算的真值1不同;弗里茨·哈泽内尔在1904年和1905年也计算出了同样的结果。亨利·庞加莱在1900年独立推导出了E = mc²,但他还未完全理解这一推导结果的含义。

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迈克耳孙干涉仪(上图)显示,如果伽利略相对论是正确的,则光干涉图样(下图,实线)的变化可以忽略不计(下图,点线)。无论干涉仪的方向是什么,包括与地球在太空中的运动方向一致、垂直或相反,光速都是一样的。

在没有爱因斯坦的情况下,已经有物理学家接近完成他这个最著名的方程;不难想象,即使没有爱因斯坦,其他的物理学家也很有可能在短时间内完成余下的任务,这是有现实依据的。

同样,其他物理学家也已经非常接近狭义相对论了。迈克尔逊-莫雷实验证明了光总是以恒定的速度移动,推翻了最流行的以太模型。亨德里克·洛伦兹发现了决定速度如何增加以及时间如何膨胀的变换方程,并与乔治·菲茨杰拉德各自确定了长度在运动方向上是如何收缩的。在很大程度上,这些都是引导爱因斯坦发展出狭义相对论的基础。当然,的确是爱因斯坦将这一切综合了起来。同样,很难想象洛伦兹、庞加莱和其他研究电磁学和光速相互作用的人不会取得类似的突破。即使没有爱因斯坦,这些研究者也已经非常接近狭义相对论了。

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无论是在一枚加速的火箭当中(左),还是在地球上(右),球落地的方式都是相同的,这是爱因斯坦等效原理的一个例证。在局部区域测量加速度的结果表明,重力加速度和其他形式的加速度之间没有区别;除非你能以某种方式观察或获取外部世界的信息,否则这两种情况将产生相同的实验结果。

马克斯·普朗克对光的研究为光电效应的发现奠定了基础;无论有没有爱因斯坦,光电效应都肯定会被发现。

在量子力学中,粒子可以分为玻色子与费米子。费米和狄拉克对费米子(玻色子之外的另一类粒子,包括夸克和轻子)进行了统计,而统计玻色子的人则是印度物理学者萨特延德拉·玻色——保罗·狄拉克为纪念他而给出了这一命名——爱因斯坦只是玻色信件的收信人。

可以说,如果没有爱因斯坦,量子力学一样也会发展得很好。

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这个动画显示了当一个质量实体穿过时空时,时空会如何反应;从定性的角度来看,时空不仅仅是一个结构整体,而是整个空间本身会因宇宙中物质和能量的存在及其属性而发生扭曲。请注意,在描述时空结构的时候,我们不仅需要知道大质量物体的位置,还必须知道该质量在整个时间中的位置。瞬时位置和过往位置决定了物体在宇宙中运动时所受到的力,这使得广义相对论的微分方程比牛顿的理论还要复杂。

当然,广义相对论是最重要的。爱因斯坦已经掌握了狭义相对论,开始着手研究引力。1907年,爱因斯坦提出了著名的等效原理——加速运动所受到的惯性力与引力在本质上是等价的,观察者无法对二者进行区分。爱因斯坦本人将这一原理称为“他最感快乐的思想”,甚至让他三天都没睡好觉。不过,其他研究者也在沿着相同的路线展开思考,比如

·庞加莱将狭义相对论应用到水星轨道上,发现可以解释观测到的大约20%的“额外”近日点进动;

·爱因斯坦的老师赫尔曼·闵可夫斯基提出了思维时空的概念——称为“闵可夫斯基空间”,将空间和时间编织成无法分割的时空结构;

·西蒙·纽康和阿萨夫·霍尔改进了牛顿的万有引力定律,以解释水星的进动,暗示一种新的万有引力理论将解决这一难题;

·也许最令人信服的是,数学家大卫·希尔伯特也在研究非欧几何,并提出了一个“作用量”,与爱因斯坦为引力背景下的运动所提出的作用量实际上是等同的,之后该作用量又引出了爱因斯坦引力场方程。尽管希尔伯特并没有完全正确地理解其中的物理含义,但我们今天仍然称之为“爱因斯坦-希尔伯特作用量”。

在爱因斯坦取得的所有科学成就中,广义相对论尤为超前。当爱因斯坦提出该理论时,其他同辈科学家还远远落后于他。不过,尽管可能落后几年甚至几十年,但毋庸置疑的是,有一些科学家已经非常接近爱因斯坦的思维,并且正沿着相同的路线展开思考。这让我们相信,即使没有爱因斯坦,广义相对论最终也会出现在人类的知识领域中。

对于科学的发展,人们往往习惯于这样一种叙述:某个人凭借天才般的灵光一现,就发现了其他所有人都忽略的关键突破或思维方式;如果没有这样一个人,人类就永远无法积累起非凡的知识成就。

然而,当我们更细致地审视这些科学研究时,就会发现,许多科学成就在出现之前,就已经包含了众多研究者的贡献。事实上,当我们回顾历史时,会发现同一时期已经有很多人取得了相似的认识。阿列克谢·斯塔罗宾斯基在阿兰·古斯之前,就已经把许多关于宇宙暴胀的理论成果综合在一起;在哈勃之前,乔治斯·勒梅特和霍华德·罗伯逊就构建了宇宙膨胀的理论宇宙;还有朝永振一郎,他在朱利安·施温格和理查德·费曼之前就完成了量子电动力学的计算。

在许多引人注目的物理学前沿问题上,爱因斯坦是第一个跨越终点线的人。但如果他从来没有来到这个世界上,也会有其他研究者走完他走过的路。在许多人看来,爱因斯坦拥有一种独属于他的耀眼天才,但几乎可以肯定的是:天才并不像我们通常认为的那样独特和罕见。通过大量的努力和一点点运气,几乎任何受过适当训练的科学家,只要在正确的时间找到正确的方法,就能取得革命性的突破。

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