愛(ài)因斯坦不可能這么幸運(yùn)
美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒是費(fèi)曼的博士導(dǎo)師，也是“黑洞”這個(gè)概念的提出者?；堇赵?jīng)對(duì)量子力學(xué)有這么一個(gè)評(píng)論 —— 我們接觸量子力學(xué)的感覺(jué)，就好像是一個(gè)從邊遠(yuǎn)地區(qū)來(lái)的人第一次看見(jiàn)汽車(chē)。他會(huì)覺(jué)得汽車(chē)這個(gè)東西顯然是有用的，而且肯定有重要的用處，可到底是什么用處呢？
我猜你第一次聽(tīng)說(shuō)廣義相對(duì)論也會(huì)有同樣的感覺(jué)。廣義相對(duì)論的思想跟牛頓引力公式是如此的不一樣，這個(gè)理論是如此的精妙，它肯定有深刻的內(nèi)涵，可到底是什么內(nèi)涵呢？要知道就算你要登陸火星，牛頓力學(xué)也足夠精確了。
愛(ài)因斯坦在1915年發(fā)表了廣義相對(duì)論。這時(shí)候物理學(xué)家們已經(jīng)普遍承認(rèn)相對(duì)論的價(jià)值，但是愛(ài)因斯坦在公眾眼中并沒(méi)有什么聲望。愛(ài)因斯坦就好像是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)圈的創(chuàng)業(yè)者，每個(gè)了解他的人都承認(rèn)他的想法是顛覆性的，能“改變世界”，但是沒(méi)人知道他的公司應(yīng)該有多大的估值，他還從來(lái)沒(méi)在市場(chǎng)上賺到過(guò)錢(qián)。
不過(guò)愛(ài)因斯坦不用等太久。1916年，愛(ài)因斯坦提出，有三件事，能證明廣義相對(duì)論是對(duì)的，牛頓力學(xué)是不那么對(duì)的。咱們先說(shuō)其中兩件。
1.水星進(jìn)動(dòng)
我們知道行星都在繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。如果你還記得高中物理，你應(yīng)該知道行星公轉(zhuǎn)的軌道通常不是標(biāo)準(zhǔn)的圓形，而是橢圓。橢圓有個(gè)長(zhǎng)軸有個(gè)短軸，太陽(yáng)在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。行星們就這么兢兢業(yè)業(yè)地、年復(fù)一年地沿著自己的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。
圖片來(lái)自 www.phys.ncku.edu.tw
牛頓力學(xué)告訴我們，相對(duì)于太陽(yáng)，這些橢圓軌道的位置是固定的。
按天文的標(biāo)準(zhǔn)，我們這個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量不算太大，整個(gè)太陽(yáng)系內(nèi)部的引力都不算太強(qiáng)。而只要引力不是特別強(qiáng)，廣義相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果跟牛頓力學(xué)都高度吻合，也是一樣的橢圓軌道。但是廣義相對(duì)論有個(gè)很微妙的性質(zhì) —— 用廣義相對(duì)論算出來(lái)的橢圓軌道，并不是真正閉合的。
也就是說(shuō)，行星公轉(zhuǎn)一圈之后并不是恰好回到原來(lái)的出發(fā)點(diǎn)，會(huì)有一個(gè)小小的偏移！表現(xiàn)出來(lái)，就是橢圓軌道并不是完全固定的，每一圈都跟前一圈有個(gè)小小的差別。橢圓的長(zhǎng)軸，會(huì)有一個(gè)慢慢的轉(zhuǎn)動(dòng) —— 物理學(xué)家稱(chēng)之為“進(jìn)動(dòng)”。
下面圖中紅色橢圓代表牛頓力學(xué)計(jì)算出的行星軌道，藍(lán)色的線(xiàn)代表有進(jìn)動(dòng)的行星軌道 ——
下面這張動(dòng)圖是對(duì)行星進(jìn)動(dòng)的一個(gè)夸張的演示 ——
來(lái)自維基百科
事情是這個(gè)事情，但情況是行星軌道的進(jìn)動(dòng)通常都非常、非常小，幾乎就是無(wú)法觀測(cè)的。
話(huà)分兩頭。另一方面，天文學(xué)家早在1859年就觀測(cè)到，太陽(yáng)系里距離太陽(yáng)最近的行星，水星，一直都有一個(gè)進(jìn)動(dòng)。
但是19世紀(jì)的天文學(xué)家已經(jīng)在很大程度上解釋了水星的進(jìn)動(dòng)。因?yàn)樗歉浇€有其他行星，比如金星和地球，這些行星對(duì)水星也有引力，會(huì)干擾水星的軌道。天文學(xué)家精確計(jì)算了這些干擾，最后只剩下一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，可以說(shuō)是牛頓力學(xué)無(wú)法解釋的。
這一點(diǎn)點(diǎn)有多大呢？是每一百年，進(jìn)動(dòng)43弧秒。這是個(gè)什么概念呢？我們知道圓周有360度，然后一度分為60弧分，然后一弧分再分成60弧秒。100年43弧秒，這是一個(gè)幾乎無(wú)法察覺(jué)到的差距。但是天文學(xué)家對(duì)自己的計(jì)算非常有把握，他們認(rèn)定，這43弧秒需要一個(gè)解釋。
結(jié)果1916年，愛(ài)因斯坦做了一個(gè)計(jì)算，得出，因?yàn)閺V義相對(duì)論效應(yīng)導(dǎo)致的水星軌道的進(jìn)動(dòng)……正好是每100年43弧秒！
2.光線(xiàn)彎曲
水星進(jìn)動(dòng)這個(gè)證據(jù)好是好，但是老百姓不容易理解。愛(ài)因斯坦提出的第二個(gè)證據(jù)，就非常直觀了。
廣義相對(duì)論要求時(shí)空可以是彎曲的，一切物體都要沿著時(shí)空中的測(cè)地線(xiàn)走 —— 一切物體，其中就包括了光。如果這個(gè)地方的測(cè)地線(xiàn)是彎曲的，那么光線(xiàn)就也會(huì)是彎曲的。比如說(shuō)，如果這里有一個(gè)大質(zhì)量的星球，那么遠(yuǎn)方的星光經(jīng)過(guò)這個(gè)星球附近的時(shí)候，就可能發(fā)生偏折。
這件事牛頓力學(xué)里可是絕對(duì)沒(méi)有，人們一直都認(rèn)為光在真空中永遠(yuǎn)走直線(xiàn)。
不過(guò)如果你把牛頓引力公式和狹義相對(duì)論放在一起，其實(shí)也能預(yù)言光線(xiàn)的彎曲。狹義相對(duì)論說(shuō)質(zhì)量就是能量，反過(guò)來(lái)也可以說(shuō)能量就是質(zhì)量。光沒(méi)有靜止質(zhì)量，但是有能量啊 —— 如果我們*強(qiáng)行*用光子的能量除以c2，也會(huì)得到一個(gè)光子的“運(yùn)動(dòng)質(zhì)量”，就好像是一個(gè)有質(zhì)量的物體一樣。
那既然有質(zhì)量，就應(yīng)該能感受到引力，牛頓引力理沒(méi)論就足以給它一個(gè)偏轉(zhuǎn) —— 就好像彗星略過(guò)地球一樣。
那廣義相對(duì)論還有啥用呢？所幸的是，廣義相對(duì)論預(yù)言的光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)，是“牛頓引力 + 狹義相對(duì)論”預(yù)言結(jié)果的兩倍！
這樣我們就有了三個(gè)直截了當(dāng)?shù)恼f(shuō)法 ——
* 牛頓力學(xué)：光永遠(yuǎn)走直線(xiàn)
* 牛頓引力公式 + 狹義相對(duì)論：光線(xiàn)會(huì)被偏轉(zhuǎn)，但偏轉(zhuǎn)的程度較小
* 廣義相對(duì)論：光線(xiàn)會(huì)被偏轉(zhuǎn)，而且偏轉(zhuǎn)的程度較大
所以現(xiàn)在只差一個(gè)觀測(cè)驗(yàn)證?？墒巧夏恼夷茏尮饩€(xiàn)明顯偏轉(zhuǎn)的大質(zhì)量的星球呢？月亮經(jīng)常跟星星在一起，但是月亮的引力太小，偏轉(zhuǎn)星光的效應(yīng)看不出來(lái)，別的大質(zhì)量星球都距離我們太遠(yuǎn)。當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家唯一能指望的就是太陽(yáng)。
比如說(shuō)，從地球上看，太陽(yáng)的背后方向有一顆星，它到地球的星光如果走直線(xiàn)的話(huà)會(huì)被太陽(yáng)擋住，我們根本看不到。但是因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)，如果星光有一個(gè)偏轉(zhuǎn)，那我們就能看見(jiàn)這顆星，這不就證明了嗎？
圖片來(lái)自 http://www.lukemastin.com/physics/topics_relativity_general.html
圖片來(lái)自https://www.bbvaopenmind.com/en/the-eclipse-to-confirm-the-general-theory-of-relativity/
這個(gè)思路好是好，可問(wèn)題在于太陽(yáng)太亮，它周?chē)男枪舛急惶?yáng)給掩蓋了。
但是天文學(xué)家想到一個(gè)極端的情況，日全食。
日全食的時(shí)候，月亮?xí)臀覀儞踝√?yáng)光，使得我們能看見(jiàn)太陽(yáng)周?chē)男枪?。那如果我們事先算一算這個(gè)時(shí)候有哪些星星應(yīng)該在太陽(yáng)背后，你本來(lái)應(yīng)該看不見(jiàn)，結(jié)果卻在太陽(yáng)周?chē)匆?jiàn)它們了，這不就說(shuō)明太陽(yáng)彎曲了星光的路線(xiàn)嗎？
愛(ài)因斯坦1916年計(jì)算出光線(xiàn)彎曲的正確結(jié)果，然后1919年5月29號(hào)，就有一次日全食。那時(shí)候第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓，專(zhuān)門(mén)說(shuō)服英國(guó)政府給了一筆經(jīng)費(fèi)，組織了兩個(gè)觀測(cè)團(tuán)隊(duì)，一個(gè)去巴西一個(gè)去非洲，專(zhuān)門(mén)為了驗(yàn)證廣義相對(duì)論觀測(cè)這次日食。
結(jié)果愛(ài)丁頓的團(tuán)隊(duì)就真的看到了原本不該出現(xiàn)在太陽(yáng)周?chē)膸最w星 ——
愛(ài)丁頓在皇家科學(xué)院宣讀了觀測(cè)結(jié)果，證明是廣義相對(duì)論說(shuō)得對(duì)。英國(guó)泰晤士報(bào)的報(bào)道用了個(gè)通欄標(biāo)題 —— 《科學(xué)革命 —— 關(guān)于宇宙的新理論 —— 牛頓思想被推翻！》
愛(ài)因斯坦一夜成名。
3.愛(ài)因斯坦的運(yùn)氣
咱們現(xiàn)在考察廣義相對(duì)論被世界接受的這段歷史，你不能不承認(rèn)，愛(ài)因斯坦的運(yùn)氣實(shí)在是太好了。
首先是這次日全食。愛(ài)因斯坦的計(jì)算結(jié)果剛出來(lái)三年，就趕上了日全食。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。愛(ài)因斯坦動(dòng)作稍慢一點(diǎn)，或者愛(ài)丁頓未能促成這次觀測(cè)，相對(duì)論搞不好就得再等18年才能被人接受。
而這一次日全食發(fā)生的時(shí)候，太陽(yáng)周?chē)檬钱吽扌菆F(tuán)的星星 — 這個(gè)星團(tuán)特別亮！再等下一次，還沒(méi)有這么強(qiáng)的星光讓你容易測(cè)到。
更巧的是，愛(ài)丁頓選擇的這兩個(gè)觀測(cè)地點(diǎn)，在日食發(fā)生前后都是陰雨天氣。巴西那個(gè)地方在日食當(dāng)天早上還是多云，可是在日食發(fā)生前一分鐘，天空中太陽(yáng)那個(gè)位置的云居然散開(kāi)了，給天文學(xué)家開(kāi)了一小片晴天。非洲那個(gè)地方也是有云，也是恰好在日食期間讓太陽(yáng)露出來(lái)一小會(huì)兒。
愛(ài)因斯坦要是個(gè)中國(guó)人，他也許會(huì)說(shuō)一句“天助我也”。
而且人和也很重要。如果愛(ài)因斯坦是個(gè)注重聲望的人，他除了感謝愛(ài)丁頓還應(yīng)該感謝泰晤士報(bào)。“牛頓被推翻”這個(gè)標(biāo)題直接把愛(ài)因斯坦送上了牛頓之后最偉大的科學(xué)家的位置。如果咱們“得到”報(bào)道這次科學(xué)發(fā)現(xiàn)，肯定不會(huì)用這個(gè)充滿(mǎn)民科味道的標(biāo)題，最起碼應(yīng)該用《光線(xiàn)可以被引力彎曲！》
我曾經(jīng)聽(tīng)后來(lái)的人分析，愛(ài)因斯坦之所以能在短時(shí)間內(nèi)從“世界上最了不起的物理學(xué)家”變成“世界偉人”，跟他1921年訪問(wèn)美國(guó)的旅程關(guān)系很大。美國(guó)媒體和美國(guó)老百姓都非常喜歡愛(ài)因斯坦……不過(guò)那時(shí)候他們并不怎么了解一般的科學(xué)家都什么樣。
不論如何，愛(ài)因斯坦配得上所有這些幸運(yùn)和榮譽(yù)。但我還是想說(shuō)，愛(ài)因斯坦最大的幸運(yùn)，是他生在了那個(gè)時(shí)代的歐洲。
天文學(xué)家之所以能在1856年（大清咸豐六年）發(fā)現(xiàn)水星進(jìn)動(dòng)，是使用了從1697年（大清康熙三十六年）到1848年一百五十年的水星活動(dòng)記錄。這個(gè)發(fā)現(xiàn)非常非常不容易，你要知道水星的軌道幾乎就是一個(gè)圓形，并不怎么“橢”，那些古代的天文學(xué)家首先得準(zhǔn)確判斷這個(gè)橢圓的長(zhǎng)軸在哪里，然后還得記錄這個(gè)長(zhǎng)軸的變化。
然后他們還能精確計(jì)算金星和地球引力對(duì)水星軌道的影響，最后得出一個(gè)非常非常小，但是無(wú)比堅(jiān)定的，跟牛頓力學(xué)的差異。而且那時(shí)候可沒(méi)有什么計(jì)算機(jī)。
想想相對(duì)論的歷史，你肯定會(huì)感嘆“愛(ài)因斯坦不可能這么幸運(yùn)！”但是別忘了精英日課以前說(shuō)過(guò)，幸運(yùn)是這個(gè)宇宙的通行證。
現(xiàn)在廣義相對(duì)論既然被接受了，咱們下一講不管講到它的什么離奇的推論，你都得接受。
