科學(xué)啟蒙

相對論的發(fā)現(xiàn)與證明
《愛因斯坦和愛丁頓》



愛因斯坦很偉大，他的偉大因?yàn)橄鄬φ?。那么如何通俗地理解愛因斯坦如何發(fā)現(xiàn)相對論，以及相對論到底說了什么？

這部電影就夠了！

愛因斯坦看到了兩輛迎面車經(jīng)過，車頭亮著車燈，然后再崎嶇的路面上，車燈搖曳，還濺起水花。他恍然大悟，找到了答案。電影沒有解釋這一段，估計(jì)這個(gè)情節(jié)是真的，我的理解是，車因?yàn)槁访嫫閸?，不平坦，所以顛簸，所以燈光搖曳。換言之，愛因斯坦想到了“空間扭曲造成了光的扭曲”的問題。所以，他完成了理論，并且寫信給愛丁頓。



愛因斯坦走在路上，因?yàn)橄掠?，道路泥濘，車燈搖曳讓他晃眼，濺起的水花讓他清醒地發(fā)現(xiàn)……



愛丁頓演示相對論



在桌布上，蘋果圍繞著面包轉(zhuǎn)動(dòng)

根據(jù)片中愛丁頓受到信后，跟妹妹和朋友解釋廣義相對論，以及探討證明，我們就可以明白為什么說愛因斯坦成功解釋了萬有引力的根源。愛丁頓讓同事和妹妹各拿起桌布的一邊，然后把桌布舉起來。拿了個(gè)大面包扔到桌布中間，這樣桌布就凹陷了下去。然后又放了個(gè)蘋果進(jìn)桌布，蘋果就圍繞著面包在轉(zhuǎn)。而且運(yùn)動(dòng)就像是地球繞著太陽在轉(zhuǎn)。很明顯，這種會凹陷的空間，解釋了萬有引力的根源。太陽因?yàn)橘|(zhì)量夠大，造成了空間的凹陷，而使得地球無法沿直線運(yùn)動(dòng)，只能繞著太陽做曲線運(yùn)動(dòng)。


全過程如下……

首先，是牛頓留下的破綻。

正如愛丁頓所言，當(dāng)時(shí)英國的科學(xué)界非常驕傲，牛頓似乎解釋了一切：宇宙中的一切都是有秩序的，所有事物都被一種力束縛在一起——重力。牛頓描述了重力作用而且解釋了原因，他是正確的，但是他很擔(dān)憂，因?yàn)槟忝坏降厍蛞?，你看不到它。牛頓為此很掙扎，他擔(dān)憂，他懷疑，然后他找到了他的答案：誰安排了這些不能解釋的東西？是上帝，上帝的意志。

其次，是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的問題。

正如愛因斯坦對普朗克所說，他對引力問題的研究花了9年，只是獲得了很多問題。很明顯這些問題都是圍繞著“引力”，在地球上我們看到的是垂直向下的“重力”，在星際運(yùn)動(dòng)中我們看到的是星體曲線的“軌跡”。但是，愛因斯坦一直找不到“關(guān)鍵點(diǎn)”，找不到一個(gè)切入口。他嘗試研究運(yùn)動(dòng)和光，因?yàn)樾切堑倪\(yùn)動(dòng)，我們是通過光看到了它們，而地球上的運(yùn)動(dòng)又離不開“引力”的束縛。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了很多問題，但每一個(gè)問題都找不到答案，這樣一來“引力”的問題還是沒能解決。

影片巧妙地借助愛因斯坦和兒子，和資助自己研究的后臺老板，和伯父伯母的談話來展現(xiàn)他頭腦里的問題。

第一個(gè)是“光速不變”的問題。

愛因斯坦帶這兩個(gè)兒子出去玩，他問岸上的兒子漢斯：一個(gè)男人在湖里的船上，還有他的兒子們，這個(gè)男人脫掉了他的襪子。他把襪子揉成團(tuán)，然后他把襪子扔到了岸上的人群里，襪子的速度是多少？就是船的速度加上襪子的速度。那么光呢？光是怎樣的？那如果我從船里投射一束光到岸上的你那兒？光的速度是多少？船的速度加上光的速度嗎？不是！為什么不是？

按照其他事物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從船只上投出一束光運(yùn)行的速度，必須是船的速度加上光的速度才對。但是光就是與眾不同，愛因斯坦為了解釋這一點(diǎn)，提出了狹義相對論。愛因斯坦給出的解釋是：宇宙中時(shí)間是有著不一樣的速度的，這取決于你移動(dòng)的速度，你移動(dòng)地越快，時(shí)間也就過得越慢。換言之，光速不變，變化的是時(shí)間（其實(shí)空間也變，只是當(dāng)時(shí)愛因斯坦還想不到）。而且，按照愛丁頓的說法，愛因斯坦雖然沒有解答，但是提出了一個(gè)問題：牛頓說地心引力是瞬間的，但是愛因斯坦說，光速是宇宙速度的極限，那么地心引力就不可能是瞬間的。這一點(diǎn)，在愛因斯坦向資助自己的后臺老板解釋自己的工作時(shí)談得更具體。

第二個(gè)問題“引力速度與光速的矛盾”。

愛因斯坦對大老板說：一個(gè)物體擁有能量是因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)增加了質(zhì)量，物體質(zhì)量的增加導(dǎo)致了速度的減慢，也就是說優(yōu)秀的科學(xué)家出來見個(gè)肥胖的實(shí)業(yè)家總是要晚的。根據(jù)牛頓和他的重力論，如果現(xiàn)在太陽消失了，我們馬上就可以感覺到，一瞬間。重力的速度比光速要快，這怎么可能？

就像愛因斯坦的比喻，他跑去見老板，因?yàn)榕?，所以他的質(zhì)量就加大了，而質(zhì)量加大就會導(dǎo)致他的速度減慢。按照牛頓的萬有引力理論，太陽消失了，我們地球就會失去太陽的“引力”，我們立刻就會感到。那么引力的速度如此之快，比光這種看不見質(zhì)量有多大的物質(zhì)相比，星體的質(zhì)量那么大，怎么可能速度如此之快呢？

第三個(gè)問題“不存在‘以太’”。

這個(gè)問題是次要的，是愛因斯坦跟伯父伯母解釋自己放棄德國籍時(shí)講的：我以前是德國人，現(xiàn)在是瑞士人，這有什么區(qū)別？就像以太（片中翻譯為“太空”很明顯不正確，物理名詞“以太”）不存在一樣。如果以太真的存在的話，光就會因此減速，而實(shí)際上并不是這樣，光總是以相同的速度旅行。所以以太并不存在。

愛因斯坦為了解釋自己沒有“鄉(xiāng)土觀念”，只有“自由思想”，所以談了關(guān)于“以太”不存在的問題。本來就是為了證明“以太”存在，拿光去做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果不僅找不到“以太”，還得出光速不變的結(jié)論。這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)然不是愛因斯坦這種理論家做出來的，但是這個(gè)發(fā)現(xiàn)對愛因斯坦影響很大。因?yàn)椤安淮嬖谝蕴?，本身也是一個(gè)大問題。因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)的思路，光速那么大需要“以太”作為介質(zhì)（像聲音需要空氣來傳播，光比聲音快多了，那么需要更加堅(jiān)硬的介質(zhì)），萬有的存在引力需要一個(gè)“以太”（力的相互作用，必須有“接觸”或者“介質(zhì)”，隔空取物那是變魔術(shù)）。但是實(shí)驗(yàn)卻證明根本就不存在。

就在愛因斯坦為了解答“引力”的大難題，陷入許多毫無頭緒的小難題中時(shí)，愛丁頓給了他一個(gè)問題，那就是前面談到的“水星”難題。因?yàn)檫@也是萬有引力理論的一個(gè)漏洞，一個(gè)切入口。如果愛因斯坦能夠?qū)⒅暗莫M義相對論，成功地解釋“水星誤差”，那么愛因斯坦就成功了。所以，愛因斯坦收到愛丁頓的信后，非常興奮，甚至趕走了美麗的愛麗莎。他說：這個(gè)英國人提了一個(gè)問題，宇宙的一個(gè)小部分運(yùn)作不正確，水星的軌道偏離了規(guī)則，這是為什么？若能將我的重力理論嵌合進(jìn)水星的不規(guī)則運(yùn)作，那么將會有一段很長的路帶我到到哪里？新的思維方式的一個(gè)新的起點(diǎn)，嶄新的思維方式。

借助普朗克的幫助（我估計(jì)這就是運(yùn)用“非歐幾何”的時(shí)候），愛因斯坦真的成功了。問題是，雖然愛因斯坦證明了牛頓不如自己準(zhǔn)確，但是還是沒有解釋萬有引力的根本。換言之，愛因斯坦是知其然（加入光速不變，時(shí)間在變，然后用數(shù)學(xué)運(yùn)算出來），但是在理論上（解釋不清楚）。所以，愛因斯坦依然非常沮喪，畢竟這是臨門一腳，卻重若千鈞，踢不出去。他希望從朋友的信件中得到啟示，卻被趕走，因?yàn)樗呐褔哉?。他希望從愛麗莎那里得到感情的慰藉，也被趕走。就在街頭躊躇痛苦之時(shí)，愛因斯坦看到了兩輛迎面車經(jīng)過，車頭亮著車燈，然后再崎嶇的路面上，車燈搖曳，還濺起水花。他恍然大悟，找到了答案。

電影沒有解釋這一段，估計(jì)這個(gè)情節(jié)是真的，我的理解是，車因?yàn)槁访嫫閸?，不平坦，所以顛簸，所以燈光搖曳。換言之，愛因斯坦想到了“空間扭曲造成了光的扭曲”的問題。所以，他完成了理論，并且寫信給愛丁頓。

根據(jù)片中愛丁頓受到信后，跟妹妹和朋友解釋廣義相對論，以及探討證明，我們就可以明白為什么說愛因斯坦成功解釋了萬有引力的根源。

愛丁頓讓同事和妹妹各拿起桌布的一邊，然后把桌布舉起來。拿了個(gè)大面包扔到桌布中間，這樣桌布就凹陷了下去。然后又放了個(gè)蘋果進(jìn)桌布，蘋果就圍繞著面包在轉(zhuǎn)。而且運(yùn)動(dòng)就像是地球繞著太陽在轉(zhuǎn)。很明顯，這種會凹陷的空間，解釋了萬有引力的根源。太陽因?yàn)橘|(zhì)量夠大，造成了空間的凹陷，而使得地球無法沿直線運(yùn)動(dòng)，只能繞著太陽做曲線運(yùn)動(dòng)。

愛丁頓總結(jié)道：太空顯示物體如何運(yùn)動(dòng)，物體顯示太空形狀是怎樣的，這就是證明它的方法。當(dāng)星光靠近太陽時(shí)會發(fā)生什么?它會彎曲。對，這就是愛因斯坦所說的。星光會彎曲。任何理論都需要被證實(shí)，我就是那個(gè)要去證實(shí)它的人。

然后愛丁頓提出了完美而簡單的證明方式：當(dāng)我們通過巨型望遠(yuǎn)鏡觀察日全食時(shí)，它會在金牛座五星的正中央，在日全食的五分鐘里，我們會給這些星星拍照，然后把這些照片與晚上照到的同樣的星星進(jìn)行對比，再把其中一張底片放在另一張底片上，看這些星星前后兩次會不會在相同的位置上？如果不在，那我們就會知道，星光被太陽彎曲了。



愛丁頓為月食拍照



照片上可以清楚地看到：星星有兩個(gè)位置

就這樣，愛丁頓用實(shí)驗(yàn)證明了愛因斯坦的理論是正確的。充分地填補(bǔ)了牛頓萬有引力理論的空缺，完善了引力理論。解釋了萬有引力的根源，更準(zhǔn)確地描述宏觀天體的運(yùn)行。