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最新碎语:想象力比知识更重要

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相对论惊到了爱因斯坦

爱因斯坦被誉为继伽利略、牛顿之后人类最伟大的科学家,是现代物理学的开创者和奠基人之一。他的伟大贡献、他的想象力都是学生从小在学校里就开始接触了。

相对论是爱因斯坦最伟大的发现,这源于他一系列的思想实验,即所有一切都是在他头脑中假设、演绎、推断出来的,也因此他的想象力和思考能力被后人推崇备至。相对论,特别是广义相对论,非常奇妙地预言到了一系列宇宙奇特现象,但是当根据相对论推导出这些宇宙现象时,爱因斯坦却被惊到了以至于不敢相信,甚至否认。

对宇宙常数的反复

当年爱因斯坦研究引力与广义相对论时,人类的天文学知识还很落后,认为宇宙是静态而稳定的空间——既不膨胀,也不收缩。但爱因斯坦的公式却让他十分惊讶:公式表明宇宙要么在膨胀,要么在收缩,但就是不能保持静止!

面对着如此不符合“常识”的公式,爱因斯坦觉得他唯一的选择就是引进一个附加因素,以使他的理论导出一个静止不变的宇宙。这个附加因素就是宇宙常数,宇宙常数更准确的说法应该是“宇宙常量”,它代表着真空中有一种看不见的能量,其密度是一个常数,会产生宇宙排斥力。同引力相反,它随着天体之间距离的增大而增强。这是一个假想的、用以抵消引力作用的力。宇宙常数就是指这种宇宙空间中恒定的能量密度。我们只要调整这个常数,就可以平衡引力与宇宙排斥力,而得到静止且封闭的宇宙。

多年以后,美国天文学家哈勃发现宇宙在不断膨胀,颠覆了静态宇宙观,这时爱因斯坦才意识到自己的错误,就急急忙忙把方程中的宇宙常数项去掉了,并把宇宙常数称为自己“一生中最大的错误”。 

然而,令人惊奇的是,随着对膨胀宇宙的不断研究,天文学家发现膨胀速率在增加(河外星系在加速远离银河系),却没发现导致加速膨胀的因素是什么,于是便设想出暗物质和暗能量,尤其暗能量极可能是这种神秘因素。暗能量的发现告诉我们,爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控。在经历了一系列曲折后,被爱因斯坦抛弃的宇宙常数正在时间中复活。

对引力波犹疑不定

引力波是时空结构中的涟漪,几年前被科学家实际探测到了。它使天文学家多了一种研究宇宙的新方法,也预示着开启一个新的天文时代。它也是对爱因斯坦相关理论的重大验证,因为100年前他提出的广义相对论就推论出引力波必然存在。

但是,在广义相对论发表后的20年时间里,爱因斯坦却对引力波是否存在一直游移不定。因为在计算过程中,爱因斯坦发现时空中某个地方存在“奇点”,意味着无法在那里用数字表示引力波的大小。既然奇点无法表示,那就证明引力波不存在了。于是爱因斯坦写了论文寄出去准备发表,宣布引力波不存在。

事实上,问题出在奇点而非引力波。那个奇点只是坐标奇点,好比北极点。地球上任何地方可用经纬度来表示坐标,但北(南)极点例外,因为所有经线都经过那里。无法用数字表示,这不代表北极点不存在,更不代表无法到达那里。因此在那个所谓的奇点,引力波仍然可以到达。审稿人收到爱因斯坦的论文后,专门写了10页报告指出论文可能有错误,就退了回去。爱因斯坦对此很生气。

对其它推论也不相信

根据广义相对论,时空因引力而扭曲,最后必然出现一个极端——黑洞。黑洞是宇宙中极其特殊的存在,一切宇宙规则在那里都不起作用,因此它成为天文学研究的一个重要内容。但爱因斯坦对黑洞并不上心,更没有深入研究它。

还有时空扭曲,即大质量天体扭曲时空的效果非常明显,会形成类似透镜的效应。它相当于折射光线,把遥远光源处射过来的光改变方向,重新发射出去。爱因斯坦相信这个结果,但却不相信人们能看到它,还在论文中写道“这种现象不可能直接观察”。然而1979年,天文学家就观测到一个类星体所形成的像,这就是引力透镜现象。

爱因斯坦对自己理论所推导出的宇宙现象几乎都抱有怀疑,这说明广义相对论太超前了,它所预测到的宇宙奇异现象在当时根本无法观测和证实,也违背了当时的科学常识,连想象力如此丰富的爱因斯坦都无法接受。

 

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