相对论10:爱因斯坦不可能这么幸运
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相对论10:爱因斯坦不可能这么幸运

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美国物理学家约翰·惠勒是费曼的博士导师,也是“黑洞”这个概念的提出者。惠勒曾经对量子力学有这么一个评论 —— 我们接触量子力学的感觉,就好像是一个从边远地区来的人第一次看见汽车。他会觉得汽车这个东西显然是有用的,而且肯定有重要的用处,可到底是什么用处呢?

我猜你第一次听说广义相对论也会有同样的感觉。广义相对论的思想跟牛顿引力公式是如此的不一样,这个理论是如此的精妙,它肯定有深刻的内涵,可到底是什么内涵呢?要知道就算你要登陆火星,牛顿力学也足够精确了。

爱因斯坦在1915年发表了广义相对论。这时候物理学家们已经普遍承认相对论的价值,但是爱因斯坦在公众眼中并没有什么声望。爱因斯坦就好像是一个互联网圈的创业者,每个了解他的人都承认他的想法是颠覆性的,能“改变世界”,但是没人知道他的公司应该有多大的估值,他还从来没在市场上赚到过钱。

不过爱因斯坦不用等太久。1916年,爱因斯坦提出,有三件事,能证明广义相对论是对的,牛顿力学是不那么对的。咱们先说其中两件。

水星进动

我们知道行星都在绕着太阳公转。如果你还记得高中物理,你应该知道行星公转的轨道通常不是标准的圆形,而是椭圆。椭圆有个长轴有个短轴,太阳在椭圆的一个焦点上。行星们就这么兢兢业业地、年复一年地沿着自己的椭圆轨道运动。

牛顿力学告诉我们,相对于太阳,这些椭圆轨道的位置是固定的。

按天文的标准,我们这个太阳的质量不算太大,整个太阳系内部的引力都不算太强。而只要引力不是特别强,广义相对论的计算结果跟牛顿力学都高度吻合,也是一样的椭圆轨道。但是广义相对论有个很微妙的性质 —— 用广义相对论算出来的椭圆轨道,并不是真正闭合的。

也就是说,行星公转一圈之后并不是恰好回到原来的出发点,会有一个小小的偏移!表现出来,就是椭圆轨道并不是完全固定的,每一圈都跟前一圈有个小小的差别。椭圆的长轴,会有一个慢慢的转动 —— 物理学家称之为“进动”。

下面图中红色椭圆代表牛顿力学计算出的行星轨道,蓝色的线代表有进动的行星轨道 ——

下面这张动图是对行星进动的一个夸张的演示 ——

事情是这个事情,但情况是行星轨道的进动通常都非常、非常小,几乎就是无法观测的。

话分两头。另一方面,天文学家早在1859年就观测到,太阳系里距离太阳最近的行星,水星,一直都有一个进动。

但是19世纪的天文学家已经在很大程度上解释了水星的进动。因为水星附近还有其他行星,比如金星和地球,这些行星对水星也有引力,会干扰水星的轨道。天文学家精确计算了这些干扰,最后只剩下一点点进动,可以说是牛顿力学无法解释的。

这一点点有多大呢?是每一百年,进动43弧秒。这是个什么概念呢?我们知道圆周有360度,然后一度分为60弧分,然后一弧分再分成60弧秒。100年43弧秒,这是一个几乎无法察觉到的差距。但是天文学家对自己的计算非常有把握,他们认定,这43弧秒需要一个解释。

结果1916年,爱因斯坦做了一个计算,得出,因为广义相对论效应导致的水星轨道的进动……正好是每100年43弧秒!

光线弯曲

水星进动这个证据好是好,但是老百姓不容易理解。爱因斯坦提出的第二个证据,就非常直观了。

广义相对论要求时空可以是弯曲的,一切物体都要沿着时空中的测地线走 —— 一切物体,其中就包括了光。如果这个地方的测地线是弯曲的,那么光线就也会是弯曲的。比如说,如果这里有一个大质量的星球,那么远方的星光经过这个星球附近的时候,就可能发生偏折。

这件事牛顿力学里可是绝对没有,人们一直都认为光在真空中永远走直线。

不过如果你把牛顿引力公式和狭义相对论放在一起,其实也能预言光线的弯曲。狭义相对论说质量就是能量,反过来也可以说能量就是质量。光没有静止质量,但是有能量啊 —— 如果我们强行用光子的能量除以c²,也会得到一个光子的“运动质量”,就好像是一个有质量的物体一样。

那既然有质量,就应该能感受到引力,牛顿引力理论就足以给它一个偏转 —— 就好像彗星略过地球一样。

那广义相对论还有啥用呢?所幸的是,广义相对论预言的光线偏转,是“牛顿引力 + 狭义相对论”预言结果的两倍!

这样我们就有了三个直截了当的说法 ——

所以现在只差一个观测验证。可是上哪找能让光线明显偏转的大质量的星球呢?月亮经常跟星星在一起,但是月亮的引力太小,偏转星光的效应看不出来,别的大质量星球都距离我们太远。当时的天文学家唯一能指望的就是太阳。

比如说,从地球上看,太阳的背后方向有一颗星,它到地球的星光如果走直线的话会被太阳挡住,我们根本看不到。但是因为相对论效应,如果星光有一个偏转,那我们就能看见这颗星,这不就证明了吗?

这个思路好是好,可问题在于太阳太亮,它周围的星光都被太阳给掩盖了。

但是天文学家想到一个极端的情况,日全食。

日全食的时候,月亮会帮我们挡住太阳光,使得我们能看见太阳周围的星光。那如果我们事先算一算这个时候有哪些星星应该在太阳背后,你本来应该看不见,结果却在太阳周围看见它们了,这不就说明太阳弯曲了星光的路线吗?

爱因斯坦1916年计算出光线弯曲的正确结果,然后1919年5月29号,就有一次日全食。那时候第一次世界大战刚刚结束,英国天文学家爱丁顿,专门说服英国政府给了一笔经费,组织了两个观测团队,一个去巴西一个去非洲,专门为了验证广义相对论观测这次日食。

结果爱丁顿的团队就真的看到了原本不该出现在太阳周围的几颗星 ——

爱丁顿在皇家科学院宣读了观测结果,证明是广义相对论说得对。英国泰晤士报的报道用了个通栏标题 —— 《科学革命 —— 关于宇宙的新理论 —— 牛顿思想被推翻!》 爱因斯坦一夜成名。

爱因斯坦的运气

咱们现在考察广义相对论被世界接受的这段历史,你不能不承认,爱因斯坦的运气实在是太好了。

首先是这次日全食。爱因斯坦的计算结果刚出来三年,就赶上了日全食。我特意查了一下,地球上下一次有日全食得等到1937年6月8日。爱因斯坦动作稍慢一点,或者爱丁顿未能促成这次观测,相对论搞不好就得再等18年才能被人接受。

而这一次日全食发生的时候,太阳周围正好是毕宿星团的星星 —— 这个星团特别亮!再等下一次,还没有这么强的星光让你容易测到。

更巧的是,爱丁顿选择的这两个观测地点,在日食发生前后都是阴雨天气。巴西那个地方在日食当天早上还是多云,可是在日食发生前一分钟,天空中太阳那个位置的云居然散开了,给天文学家开了一小片晴天。非洲那个地方也是有云,也是恰好在日食期间让太阳露出来一小会儿。

爱因斯坦要是个中国人,他也许会说一句“天助我也”。

而且人和也很重要。如果爱因斯坦是个注重声望的人,他除了感谢爱丁顿还应该感谢泰晤士报。“牛顿被推翻”这个标题直接把爱因斯坦送上了牛顿之后最伟大的科学家的位置。如果咱们“得到”报道这次科学发现,肯定不会用这个充满民科味道的标题,最起码应该用《光线可以被引力弯曲!》

我曾经听后来的人分析,爱因斯坦之所以能在短时间内从“世界上最了不起的物理学家”变成“世界伟人”,跟他1921年访问美国的旅程关系很大。美国媒体和老百姓都非常喜欢爱因斯坦……不过那时候他们并不怎么了解一般的科学家都什么样。

不论如何,爱因斯坦配得上所有这些幸运和荣誉。但我还是想说,爱因斯坦最大的幸运,是他生在了那个时代的欧洲。

天文学家之所以能在1856年(大清咸丰六年)发现水星进动,是使用了从1697年(大清康熙三十六年)到1848年一百五十年的水星活动记录。这个发现非常非常不容易,你要知道水星的轨道几乎就是一个圆形,并不怎么“椭”,那些古代的天文学家首先得准确判断这个椭圆的长轴在哪里,然后还得记录这个长轴的变化。

然后他们还能精确计算金星和地球引力对水星轨道的影响,最后得出一个非常非常小,但是无比坚定的,跟牛顿力学的差异。而且那时候可没有什么计算机。

想想相对论的历史,你肯定会感叹“爱因斯坦不可能这么幸运!”但是别忘了精英日课以前说过,幸运是这个宇宙的通行证。

现在广义相对论既然被接受了,咱们下一讲不管讲到它的什么离奇的推论,你都得接受。

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