導(dǎo)讀：牛頓構(gòu)建的物理王國統(tǒng)治世界200余年后，被愛因斯坦搞得天翻地覆……

作者：數(shù)據(jù)叔

來源：大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）

▲阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein），1921年諾貝爾獎官方照片

01 顛覆牛頓系統(tǒng)

早在愛因斯坦橫空出世之前，人們就發(fā)現(xiàn)牛頓的系統(tǒng)好像有些問題。當(dāng)然天文學(xué)家們觀察發(fā)現(xiàn)，水星的軌道運動的實際情況與理論預(yù)測總是有一點點差距。到底是牛頓的問題，還是其他什么問題？

《世界觀》這本書給出了“不證實推理”的過程：

如果T，且A1，A2，A3，…，An，那么O

（but…）

O是不正確的

所以T是不正確的，或者A1是不正確的，或者A2是不正確的，或者A3是不正確的……或者An是不正確的。^[1]

這個案例中，T就是“牛頓力學(xué)（及牛頓力學(xué)給出水星位置理論值）”，A1是“水星運動觀測”，A2，A3…是我們尚不確定的其他因素，O是“水星運動的實際情況”。

現(xiàn)在O出了問題，那么到底是T的問題，還是A1，A2，A3…的問題？

愛因斯坦傾盡心血的廣義相對論給出的結(jié)論是，牛頓錯了。廣義相對論不是對牛頓力學(xué)的補(bǔ)充，而是顛覆性的新系統(tǒng)。《世界觀》中提到過，對于我們熟知的重力，牛頓系統(tǒng)的解釋是萬有引力，即所有物質(zhì)都會相互吸引；而廣義相對論認(rèn)為，重力是大質(zhì)量物體引起時空彎曲造成的，相互吸引只是一種錯覺，甚至說重力是一種力都是錯覺。（詳情見：《愛因斯坦耗費近十年的最偉大研究，推導(dǎo)出什么神預(yù)言？》）

“時空彎曲”其實不太好理解，因為它難以想象，不符合我們的日常認(rèn)知和經(jīng)驗。在牛頓系統(tǒng)里，時空是均勻的，不會彎曲，直線就是直線，光沿著直線傳播。而廣義相對論認(rèn)為，時空可以彎曲，彎曲的空間里的“直線”不再是直線，光沿著這種“直線”傳播，看上去像是發(fā)生了偏折。

牛頓系統(tǒng)中，如果某一顆遙遠(yuǎn)的恒星被太陽擋住，那么我們就不可能看到這顆恒星。因為光沿著直線傳播，它發(fā)出的光不會繞過太陽到達(dá)地球。但廣義相對論認(rèn)為光線可以發(fā)生偏折，那么在某些特殊情況下，被擋住的恒星的光可以“拐個彎”到達(dá)地球。

1919年5月29日，廣義相對論的信徒、英國天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓帶著他的團(tuán)隊遠(yuǎn)赴非洲觀測日食。當(dāng)時明亮的七姐妹星團(tuán)正位于太陽后面，非常適合檢測愛因斯坦的預(yù)言。

▲愛丁頓拍攝的日食觀測照片

經(jīng)過分析與計算，愛丁頓證實觀察結(jié)果與廣義相對論非常吻合。11月6日愛丁頓在皇家天文學(xué)會上宣布了這個結(jié)果，第二天，《泰晤士報》用夸張的標(biāo)題宣布“牛頓理論被推翻”。^[2]

▲光線偏折示意圖及英國媒體對愛丁頓觀測日食的報道，圖源：the Illustrated London News of November 22, 1919

2008年，為紀(jì)念愛丁頓的日食觀測90周年，BBC制作了影片《愛因斯坦與愛丁頓》，還原了愛丁頓日食觀測的前前后后，也很立體地刻畫了兩位科學(xué)家的形象。

不過還是有很多科學(xué)家質(zhì)疑愛丁頓的結(jié)論，同時也拒絕接受顛覆認(rèn)知、看起來非常離奇的廣義相對論。

1921年，愛因斯坦獲得諾貝爾物理學(xué)獎，獲獎原因中只提到了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，而沒有提到更復(fù)雜、更重要的廣義相對論，說明當(dāng)時的主流科學(xué)界仍然認(rèn)為無法確定廣義相對論的正確。

此后很多年，廣義相對論又得到了一系列驗證，最近也是比較著名的事件就是引力波的成功觀測。正如《世界觀》一書所說，如今的主流科學(xué)界把廣義相對論當(dāng)作“現(xiàn)實主義”理論，即現(xiàn)實世界就是廣義相對論描述的那個樣子。

很多人傾向于相信自己看得見摸得著的理論，“離奇”的廣義相對論其實離我們的日常生活并不遙遠(yuǎn)。移動互聯(lián)網(wǎng)時代，我們幾乎都會用到GPS，如果不按照廣義相對論和狹義相對論較正，GPS的誤差會大到根本無法使用。

02 奇跡年

廣義相對論是愛因斯坦最重要的研究成果，但并不是愛因斯坦唯一偉大、唯一值得一提的研究成果。

有科學(xué)評論者認(rèn)為，即便是去掉廣義相對論和狹義相對論，愛因斯坦仍然毫無疑問是牛頓之后最偉大的科學(xué)家。

上文提到，發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)讓愛因斯坦獲得了諾貝爾獎，愛因斯坦在1905年的論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點》講述了光電效應(yīng)的來龍去脈。

1905年被稱為愛因斯坦的“奇跡年”，這一年里愛因斯坦共發(fā)表了5篇論文——另外4篇是《論運動物體的電動力學(xué)》《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》《分子大小的新測定》《熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》，被認(rèn)為每一篇都是諾獎級。這些論文還非?！翱缃纭?，幾乎覆蓋了理化生。

在我們現(xiàn)在生活的這個時代，我們似乎不太能體會到這些論文的偉大之處，光電效應(yīng)、質(zhì)能方程、布朗運動等愛因斯坦1905年創(chuàng)造的奇跡都是高中理科生必會知識點。

但反過來想，這些寫進(jìn)教科書的理論，是由100多年前瑞士專利局一個小職員在一年時間里提出的，難道我們不該感慨“怎么又是他”嗎？

如果說愛因斯坦不是人類歷史上最偉大的科學(xué)家，那么誰是呢？

03 誰說上帝不擲骰子？

要想一一列舉愛因斯坦的研究成果及貢獻(xiàn)，幾乎是不可能的。何況還有人站在愛因斯坦這位巨人的肩膀上，看到了更遙遠(yuǎn)的世界。

但人無完人，愛因斯坦并不永遠(yuǎn)是對的。愛因斯坦提出了很多顛覆性的理論，但面對同樣具有顛覆性的量子理論，愛因斯坦的態(tài)度卻非常保守。尼爾斯·玻爾說：提出相對論的物理革命者可悲地變成了保守派，在量子理論方面“落后于時代潮流”。^[3]

實際上，愛因斯坦不是質(zhì)疑量子理論的正確性，更不是反對量子理論本身，他是質(zhì)疑量子理論的完備性。

當(dāng)時，與玻爾同屬哥本哈根學(xué)派的維爾納·海森堡剛剛提出不確定性原理，即粒子的位置與動量不可同時被確定。這個原理還告訴我們，微觀世界里的游戲規(guī)則是隨機(jī)的，電子出現(xiàn)在哪里，是由概率決定的。

重磅大佬云集的1927年第五屆索爾維會議上，愛因斯坦無法接受不確定性原理，并質(zhì)疑量子理論的完備性，他堅信自然規(guī)律不是由某種概率隨機(jī)決定的。于是他對玻爾說：

上帝不擲骰子。（God does not play Dice with the Universe.）

但玻爾立即回懟：

愛因斯坦，不要教上帝怎么做。（Einstein, don't tell God what to do.)

在這個問題上，兩個人世界觀的“核心拼板”明顯不一致。即使“哥本哈根詮釋”跟實驗結(jié)果更相符，邏輯上也更能說得通，但愛因斯坦不愿放棄自己的信念。

1927年第五屆索爾維會議參會的29人中，17人18次獲得諾貝爾獎。如果你是理科生，學(xué)生時代一定被這些名字折磨過：

第三排：(1)奧古斯特·皮卡爾德、(2)亨里奧特、(3)保羅·埃倫費斯特、(4)愛德華·赫爾岑、(5)西奧費·頓德爾、(6)埃爾溫·薛定諤、(7)維夏菲爾特、(8)沃爾夫?qū)づ堇?9)維爾納·海森堡、(10)拉爾夫·福勒、(11)萊昂·布里淵
第二排：(1)彼得·德拜、(2)馬丁·努森、(3)威廉·勞倫斯·布拉格、(4)亨德里克·克雷默、(5)保羅·狄拉克、(6)阿瑟·康普頓、(7)路易·德布羅意、(8)馬克斯·玻恩、(9)尼爾斯·玻爾
第一排：(1)歐文·朗繆爾、(2)馬克斯·普朗克、(3)瑪麗·居里、(4)亨德里克·洛倫茲、(5)阿爾伯特·愛因斯坦、(6)保羅·朗之萬、(7)查爾斯·古耶、(8)查爾斯·威耳遜、(9)歐文·理查森^[4]

愛因斯坦和玻爾卻成為這次“全明星”會議的兩位KOL。海森堡回憶說：討論很快就變成一場愛因斯坦和波爾之間的決斗。

盡管玻爾看似贏家，但他仍然無法徹底說服固執(zhí)的愛因斯坦。3年后的第六屆索爾維會議上，愛因斯坦繼續(xù)提出思想實驗挑戰(zhàn)玻爾。后來的時間里，愛因斯坦和其他兩位科學(xué)家提出EPR佯謬，繼續(xù)質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性。

04 核武器的鍋，愛因斯坦背嗎？

愛因斯坦在“奇跡年”提出的質(zhì)能方程，為核能的開發(fā)利用提供了理論依據(jù)。此后兩次世界大戰(zhàn)相繼爆發(fā)，在那樣的年代里，核能不可避免地被用來制造武器。

1939年，愛因斯坦給美國總統(tǒng)羅斯福寫信，提醒他警惕納粹德國的核武器研究，并建議美國盡快開始相關(guān)研究。

納粹德國的海森堡和美國的羅伯特·奧本海默分別成為兩個敵對國家的核武器研發(fā)負(fù)責(zé)人。最終奧本海默搶在了前面，后面事情大家都知道，美國在日本投下兩顆原子彈，核武器的破壞力震驚了世界。

愛因斯坦后來表示他非常后悔給羅斯福寫信：

我當(dāng)時是想把原子彈這一罪惡的殺人工具從瘋子希特勒手里搶過來。想不到現(xiàn)在又將它送到另一個瘋子手里。^[5]

1946年7月出版的《時代周刊》把愛因斯坦的畫像放上了封面，稱其為“宇宙粉碎者”，并在蘑菇云上寫下了他的質(zhì)能方程。

在BBC的影片《愛因斯坦與愛丁頓》中，這兩位來自一戰(zhàn)敵對國家的科學(xué)家都反對戰(zhàn)爭、反對民族主義，這也是他們能夠達(dá)成合作的基礎(chǔ)。二戰(zhàn)期間為躲避納粹對猶太人的迫害，愛因斯坦離開德國前往美國，仍然堅決反對戰(zhàn)爭。

所以，自己的理論研究被用來制造武器讓他很懊悔。1955年4月11日，在生命最后的日子里，愛因斯坦在哲學(xué)家伯特蘭·羅素起草的《科學(xué)家要求廢止戰(zhàn)爭》宣言上簽字，這份宣言后來被成為《羅素—愛因斯坦宣言》^[6]。4月18日，愛因斯坦與世長辭。

[1]理查德·德威特 - 《世界觀》（原書第3版）

[2]科學(xué)松鼠會 - 愛因斯坦的日食緣

https://songshuhui.net/archives/16776

[3]喬治·馬瑟 - 被誤解的愛因斯坦

http://www.infzm.com/content/111926

[4]維基百科 -?索爾維會議

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B4%A2%E5%B0%94%E7%BB%B4%E4%BC%9A%E8%AE%AE

[5]人民網(wǎng) - 愛因斯坦后悔給羅斯福寫信：把原子彈送給瘋子

https://news.qq.com/a/20160317/023949.htm

[6]維基百科 -?羅素—愛因斯坦宣言

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BD%97%E7%B4%A0%E2%80%94%E7%88%B1%E5%9B%A0%E6%96%AF%E5%9D%A6%E5%AE%A3%E8%A8%80

延伸閱讀《世界觀》（原書第3版）

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[4]維基百科 -?索爾維會議

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B4%A2%E5%B0%94%E7%BB%B4%E4%BC%9A%E8%AE%AE

[5]人民網(wǎng) - 愛因斯坦后悔給羅斯福寫信：把原子彈送給瘋子

愛因斯坦是人類歷史上最偉大的科學(xué)家嗎？