原标题:如何才能解开黑洞奇点之谜?

《引力是什么?》这是一本很棒的科普书,没有晦涩的理论和烦人的公式,单纯讲述引力的历史。通过引力是什么,这个问题揭示了人类认识世界的历史过程,抬头仰望星空,低头察看跟星空一样浩瀚的微粒世界。引力是以太?引力是万有?引力真的存在?伟大的科学家亚里士多德、牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦都用他们天才的灵感令人类对宇宙的空间认识以10亿米级(或10亿分之一米)扩展,后来的科学家也追随者巨人的脚步不断前行。

问:人们把牛顿和爱因斯坦相提并论,为什么麦克斯韦是电磁学的集大成者却看起来低一档次?

最近一段时间实在是太忙了,都没空写文章。现在再回过头去看自己之前的那些文章,发现最火的文章居然是《使用低速航天的办法能离开黑洞么?》这篇,而且比其他文章的热度高了不止一个数量级(下面的截图为我的知乎专栏《长尾说相对论》里的文章截图,光赞都收获了775个)。

事物永远不是你所以为的,你以为的永远只是你以为的。引力的历史同时也验证了那句真理,“这世上,唯一永恒不变的就是——变!”引力是什么?这会是终极问题?这个问题会是打开宇宙万物的神秘之钥?

科学 1

科学 2

此书为图灵(TURING)出版,其作者大栗博司是日本的物理学家(1962年出生),科学博士(东京大学,1989),美国加州理工学院理论物理讲席教授,理论物理研究所所长,日本东京大学数学物理联合宇宙研究机构主任,专业是基本粒子理论。著作前沿物理三部曲《引力是什么》、《强力与弱力》、《超弦理论》。

在物理学里,麦克斯韦与牛顿、爱因斯坦是一个级别的。但是,牛顿和爱因斯坦是改变了人类世界观,这个影响已经超出了物理学和科学的范畴,对人文、社会等都有重大影响。

然后我就回去翻了一下这篇文章,翻来翻去还是没搞明白为什么大家这么喜欢这篇。不论是从思想的深度、逻辑的缜密还是从内容的启发性来看,明明都还有很多比它写得更好的文章,难道仅仅是因为这是一篇讲黑洞的文章?

关键词:力,以太,万有引力,相对论,潮汐力、GPS卫星定位、光的波粒二象性、量子力学(薛定谔的猫,一切皆不确定),弦理论,超弦理论(超对称性的“超”)

牛顿力学建立了一个绝对时空观,甚至是机械论。牛顿力学让人们认识到地球上的苹果与月亮是遵循同样的物理规律。后来,拉格朗日利用牛顿三大定律和动力学原理,使用数学方法建立了分析力学。拿破仑看到他的《天体力学》,问拉格朗日为什么书中没有提到上帝,拉格朗日说“陛下,我不需要这个假设”。拉格朗日认为,理论上来说,只要知道这个世界某个时刻所有物质的状态,就可以通过计算,推算过去和未来。这就是牛顿力学发展到顶峰时的机械论世界观。一百多年前,法国数学家庞加莱计算“三体”问题时,发现了微分方程的解的不稳定性,初始状态极细小的差别会导致完全不同的结果。庞加莱进一步发展了“混沌”理论,“蝴蝶效应”就是它的一个特例。机械论或者因果决定论开始崩溃。

黑洞奇点

黑洞是广义相对论预言的产物,但有意思的是:这个广义相对论自己预言的东西,却会产生一个自己都无法解释的东西——奇点

广义相对论虽然石破天惊的把引力解释为时空曲率,认为时空是弯曲的,但是它眼里的时空本质上还是平滑的。但是,时空真的都是平滑的么?

当然,在宏观尺度上这是没问题的,在微观尺度上就不行了。在量子尺度上,我们看到的时空不再是平滑的,而是存在着剧烈的真空涨落,整个时空就像一块泡沫一样。这种涨落的时空跟广义相对论的平滑时空出现了根本性的不一致,所以广义相对论在这个尺度上会失效也是正常的

然后,我们再来回顾一下广义相对论描绘的恒星死亡产生黑洞的过程:当一个大质量恒星燃烧完自己的燃料之后,在引力的作用下它必然要坍缩。如果满足一定的条件,这个恒星可以坍缩成一个黑洞,然后不可避免的产生一个“密度无限大、体积无限小”的奇点。

科学 3

按照广义相对论,恒星坍缩最后会产生一个体积无限小的奇点。但是,还没有到无限小的时候,在那个真空涨落非常明显的量子尺度,时空已经不是平滑的了,那么又如何能够继续按照相对论的方式继续往下演化呢?所以,我们强行用相对论描述黑洞的全过程,最终导致了这个让物理定律都失效(曲率、密度、体积都是无限,物理定律怎么处理无限的东西?)奇点,这样想起来也似乎是理所当然的。

一、物理学的理论是以“10亿”米的步伐发展

爱因斯坦建立了一个相对性的世界观,质量可以改变空间结构,高速运动会改变时间和空间,质量与能量会相互转化……于是,牛顿的绝对时空观被颠覆。

量子引力

与此同时,按照上面的分析,我们似乎也能很清晰的感觉到:当恒星探索的到量子尺度的时候,当平滑度时空开始变成剧烈的涨落时空的时候,相对论就应该不再适用了。取而代之的应该是一种量子化的引力理论,而这种新的量子引力应该会阻止黑洞坍缩到无限小这种没有物理意义的状态。如果真的找到了这种量子引力理论,我们就应该能揭开黑洞的秘密,揭开奇点的秘密,甚至揭开宇大爆炸的秘密。

物理学家们在这一点上倒是达成了一致,但是没人知道这种正确的量子引力理论会是什么样子的。100年前,人类刚刚叩开了原子世界的大门,一大波新的观察发现推动了量子力学的大发展,从某种意义上来说,说那时候的量子力学是实验推动的也未尝不可:一大波年轻的天才物理学家为了解释原子世界内部种种无法理解的现象,充分发挥自己的想象力,大胆的提出了各种量子化的想法,逐步构建了完整的量子力学

但是这一套放在现在显然已经不适用了,我们现在遇到的问题不是某个现象用现有理论无法解释(目前能够观测到的各种现象,还没有任何现象用相对论和量子力学无法解释的)。就在一个月前,一个国际天文学家团队7月26日宣布,他们利用大型地面望远镜对银河系中心进行观测,第一次证实超大黑洞附近的引力场效应与广义相对论百余年前的预测“完美符合”。一百年来,广义相对论抗住了各种严苛条件下的实验测试,这次在超大黑洞的极强引力场下还依然保持正确,看起来,试图从无法解释的现象入手来修正理论的道路,短期内是走不通了。跟许多民科试图通过否认一两个实验来否认相对论不一样,科学家们对待一个理论的态度的极其严谨的,他们会选择各种极端严苛是实验来验证你的理论,所以,相对论一直到现在还在接受各种实验的检验。

科学 4

有人说你刚刚不是才提到奇点无法解释么?奇点是无法解释,但是这不是我们观测到的现象,任何信息都无法从视界里逃出来,那么被包裹在视界内部的奇点就更加无法观测到了,我们只能通过物理定律来分析研究它。也就是说我们现在所了解的关于奇点的一切信息,都是通过物理定律推算出来的。

所以,想要找到正确的量子引力理论,靠实验来纠错是靠不住了。而在微观层面,量子力学和广义相对论的矛盾冲突又是如此的明显,那么,问题到底出在哪里?

这种情况是不是有点似曾相识?

10亿*10亿*10亿米(通过光能看到的宇宙尽头)或许爱因斯坦的语言“引力波”能解开这么大世界的面纱

相比而言,麦克斯韦电磁学理论,对人的思想没有如此巨大的影响。它只是在物理、天文、通信、信息等领域具有影响力。麦克斯韦方程推出的电磁波速度不变性质,是牛顿力学与爱因斯坦相对论之间的一个纽带。一个与参考系无关的速度,在牛顿力学中是不可想象的。正是为了解释这个推论,一群科学家开始思考新的时空观,最终爱因斯坦完成了这个伟大任务!

爱因斯坦的科学精神

19世纪,牛顿力学和麦克斯韦电磁学发生了根本的冲突,凡是试图通过凑实验现象来构造新理论的做法最后都失败了,爱因斯坦早期也这样做过,结果是“什么都没得到”,碰了满头包。在这样的情况下,爱因斯坦痛定思痛,决定彻底放弃这一条道路,于是他去重新思考时间空间这些最基本的物理概念,从哲学的高度猜测上帝这个老头子的行为,从牛顿力学和麦克斯韦电磁学的根本矛盾慢慢出发,这才最终发现了狭义相对论,也最终解决了这两个体系之间的矛盾

在爱因斯坦眼里,实验不是新理论的出发点,而仅仅是用来验证理论一个证据

再看看现在,量子力学和广义相对论之间的矛盾跟牛顿力学和麦克斯韦电磁学之间的矛盾何其相似,它们都在各自的领域完全有效,但是他们的世界观却完全不同,这种不同必然会在一个点被彻底引爆,比如光速和奇点。

所以,我们这种时候要更加沉下心来学习爱因斯坦,要重新回到时间、空间等最基本的物理概念上去,重新去思考量子力学和相对论最基本的问题和矛盾的焦点,重新从哲学角度思考上帝的行为。只有这样,我们才有可能在现在发现更加深刻的量子引力理论,从而揭开黑洞奇点和大爆炸的秘密,进而加速文明的进程。否则,我们就只能慢慢等科技水平慢慢上去,最后通过实验来倒逼理论,而这将是一个非常缓慢的过程。

科学 5

我写《相对论前传》、《相对论正传》,除了科普一下相对论的知识,更重要的是想研讨一下爱因斯坦是如何协调牛顿力学和麦克斯韦电磁学的矛盾,是如何通过重新思考时间空间这些最基本的概念从而建立狭义相对论的,而这些东西对我们现在统一广义相对论和量子力学应该很有帮助。

黑洞奇点是广义相对论和量子力学的一个交汇点,既然大家对这个神奇的东西又这么感兴趣,接下来我可以跟大家聊一聊黑洞的事情~

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10亿*10亿米(星系的大小)爱因斯坦的相对论

谢邀。

10亿米(月亮的轨道)牛顿万有引力

牛顿、爱因斯坦是研究物理学基础理论的,我们说这个世界是物理的世界,因此,基础物理学理论是我们认识这个宇宙的基础知识。所有的应有科学与发明创造,皆为建立在物理学基础理论地基之上的建筑。

1~2米(人的高度)向上宏观,向下微观

因此,发明大王爱迪生、特斯拉等人,他们的发明创造对于人们现实生活的贡献,其实是远远大于爱因斯坦的,但在科学史上几乎不提及他们。

10亿分之一米纳米科学麦克斯韦电磁学

电磁学理论当然是十分伟大的。物理学就是研究声光电力热。麦克斯韦电磁学的研究,在科学史上是有非常重要地位的,他的理论对于催生爱因斯坦相对论与量子力学理论都有巨大贡献。但是,毕竟牛顿与爱因斯坦的理论,是直接解释宇宙的完备的基础理论,是集大成的理论。

10亿分之一*10亿分之一基本粒子的标准模型量子力学,超弦理论

在伽利略开创近代科学之前,人们认识宇宙的诸多理论,如神创论,还有古希腊的各种理论,什么水元素论、火元素论、四元素论,然后是柏拉图的理念论,再到亚里士多德的存在论。易经的阴阳五行理论。老子道德论。

二、宏观方向的宇宙

无论是神学、宗教还是中西思想、哲学,无论何种解释,无疑都是非科学的,也是经不起科学实验检验的。

1、引力的性质和不可思议

自从伽利略牛顿开创近代实验科学以来。人们认识宇宙就采用了科学的解释。

1.1引力是“力”

我们可以把解读宇宙的基础理论分为三个阶段:1.0版本是牛顿力学;2.0版本的相对论;3.0版本是量子力学。

首先,引力是“力”,力为何物?亚里士多德时代,人们认为物质分为水、火、土和空气四元素,为解释天体的运动,人们有将天上的物体归为以太(第五元素)组成。牛顿颠覆了这个观点,明确定义了“力”,即能够改变物体运动状态的一切都是“力”。根据牛顿的力学定义,物理学被确立为记述“物体”和作用于物理的”力”所产生的现象的学问。物体的自由落体运动必然受到一种叫做地球引力的“力”改变了它的运动状态。

牛顿力学是可以解释日常生活中见到的现象,但放到宇宙尺度就不灵了。相对论向下兼容牛顿力学,可以完美解释宇宙大尺度的星体运行原理。

1.2引力的强度(即大小如何?)

量子力学,也是向下兼容牛顿力学,应该说目前的量子力学理论研究只到了2.5版阶段。科学家们只是观测到了量子状态的许多独特现象,并加以运用。但并未完全弄懂原因、机理。目前,量子力学只能解释四种宇宙基本力中的三种:弱核力、强核力、电磁力,但尚无法解释引力的原理。

非常弱。亨利.卡文迪许用过扭秤实验确认了物体间万有且如此弱的引力的存在

然而,量子力学理论与相对论理论互不兼容。相对论用于解释宏观大尺度宇宙现象。量子力学用于解释量子尺度的微观世界现象。

1.3引力即使分开也能作用

人们期待能够同时兼容相对论、量子力学理论的大一统理论、万物理论。这个4.0版本可以解释之前1.0、2.0、3.0无法解释的现象,于是就有了弦理论、超弦理论、M理论等万物理论。然而,这些理论目前只是一种科学假说,尚未被验证。

引力即使分开也能作用,推导出引力场论。磁场中,在磁铁吸引的时候,具有传导力的粒子往来于两者之间的,引力也是如此。在苹果和地面以及月亮和地球之间也存在看不见的粒子在传导引力。姑且此粒子称之为引力子,但至今为发现其存在。

人们想科学认识宇宙,还有很长的路要走。

1.4引力对一切物体的作用是一样的

牛顿在当时是没人能完成对自然物体运动的描述有一个正确的认识的,当时只有伽利略算是有一些成绩。

质量表示改变物体运动状态的难易程度,而重量表示引力的强度。为何同时苹果和铅球同时落地,为什么“动起来的难易程度”和“引力的强度”正好相互抵消彼此的效果呢?

牛顿提出引力论

通过数学解释解决了宏观尺度低速运动物质的规律《自然哲学和数学原理》,而且我们到现在都还在使用,并且在低速宏观物质的运动是非常吻合的,在当时的科学情况,基本无法去观测高速的微观粒子,所以牛顿力学基本解决了当时社会所有物质运动状态的情况。(我们日常生活经典力学足够了)。

1.5引力是“幻想”

爱因斯坦相对论

在牛顿力学基础上进行了创新,依据光速不变原理和洛伦兹变换得到狭义相对论,并且研究宇宙的运行规律设想引力是时空变化的情况创作出广义相对论。

两者都是创作出了对宇宙运动的情况解释,难点就是提出原理,并且能接受实验和这么久时间的检验。(范围更广高速物体更精确)

引力虽然不能像电磁力那样被屏蔽,但是可以让人感觉不到引力的效果(自由落体的人感觉不到引力,爱因斯坦本人说是“人生中最棒的灵感”)。引力具有因看法不同而发生变化的不可思议的性质。

麦克斯韦的电磁学

其实并不是他把电磁统一,并且他的理论是错误的,但是结果是正确的(北师大赵峥老师说过),还有他把4个公式结合起来有3个公式是已经大家知道的原理,只是他用数学表示出来而已,最后一个预测电磁波和速率才是他的成果,所以并没有什么大的创造,是通过前人的证明他用数学去表示出来而已。

开辟难,而总结再提出相对来说容易一些,爱因斯坦、牛顿是物理学开辟级的人物,而麦克斯韦,成就固然伟大,但在他的前面还有法拉第、奥斯特等人做出的伟大成就,虽然电磁学的大厦非常壮观,但其中并非麦克斯韦一个人的功劳,而是其他很多很多人的功劳。

(麦克斯韦)

麦克斯韦之所以比牛顿。爱因斯坦他们略逊一筹,其关键原因就是在此。先来说说牛顿,牛顿所处的时代是第一次工业革命之前,伽利略开创了实验科学,归纳了科学的实验方法,使人类走上了科学的道路,而在这个刚开辟的路上,牛顿做出的成就就像是指路的明灯。

牛顿三大运动定律、万有引力定律使人们对于世界的认知发生了改变,在数学上发展出微积分,现在的工程工业、航天工业应该知道微积分的重要性,而牛顿更大的贡献则是为后世的科学家提供了一个崭新的科学方法论,即如何严谨的得出一个现象背后的科学解释。

(物理学之父:牛顿)

牛顿被称为“物理学之父”,在人类科学史上,能和牛顿平起平坐的,个人认为只有爱因斯坦、伽利略等人。

爱因斯坦是相对论的提出者,同样的,在狭义相对论之前,也有很多的物理学家为其铺就道路,洛伦兹、拉莫尔、庞加莱都对爱因斯坦1905年提出狭义相对论有过帮助贡献。

狭义之所以为狭义,是因为它应用的范围窄,无法推广到所有的参考系中,这让它的实际作用受限,而爱因斯坦几乎凭借一人之力将狭义相对论在等效原理的基础上推广到所有的参考系中,这就是广义相对论,爱因斯坦利用10年的时间在1915年正式提出,其内容正是爱因斯坦的引力场方程组。

(爱因斯坦)

后来史瓦西在解这个方程时得到了一个解,这个解所表明的就是黑洞,目前黑洞也已经被证实了,第二个就是引力波,引力波在2016年时也被证实了,另外爱因斯坦还预言了虫洞(爱因斯坦-罗森桥)。

引力透镜、光线偏折、引力红移等等等,都与爱因斯坦有关系,以至于在物理学家的眼中,爱因斯坦的光芒还要高过牛顿一筹。

这是爱因斯坦开创性的成就,爱因斯坦还在量子力学中有突出的贡献,做个形象一点的比喻,将量子力学比喻为一个股份公司,爱因斯坦最起码一个人要占到10%的股份。

爱因斯坦是现代物理学两座大厦的主要奠基者、牛顿是物理学之父、自然科学的奠基者,麦克斯韦自然在影响力方面略逊他们二人,这主要是因为前面的二位大神直接开辟了一块新的疆域,所以他们的威望高,正像我开头说的那样,开辟一个新的领域更难一些。

文/科幻船坞

图/源自网络,侵删

一家之言,欢迎您们的补充!

要说实际应用上,麦克斯韦的理论应用的还是最多的,基本上涉及电光的部分均绕不开麦克斯韦,爱因斯坦的理论虽然宏伟,但多是极端情况下的理论解释,实际的应用还是赶不上麦克斯韦的!其次爱因斯坦所受的启发也来自于麦克斯韦,因为麦克斯韦方程直接导出了光速不变的结论,引起物理学关于光速问题的广泛讨论,麦克斯韦起到了承前启后的作用

一个个都扯淡,说什么麦克斯韦只是总结前人理论,牛顿的理论不是前人的基础上出来的?你当伽利略开普勒这些人一天到晚就知道玩你妹?爱因斯坦的的狭义相对论不是在前人基础上,那你说说狭义相对论的变换公式为什么叫洛伦兹变换?都他妈扯淡,一个个还意思叫科学领域创作者。

麦克斯韦在物理学的地位完全是和牛顿爱因斯坦平齐的,只是对于你们这些屁民来说,电磁学比经典力学抽象但又没有相对论震撼,给你们宣传你们也接受不了,所以才让你们觉得电磁学名气没那么大而已

牛顿发明了微积分,爱因斯坦发明了广义相对论,这都是超越时代了旷世之作。麦克斯韦的场论,所用数学都是当时现成的,并没有超越时代。

牛顿,爱因斯坦都是大体系的缔造者。他们的理论几乎可以概括当时所有的物理学。麦克斯韦就只是概括了电磁学,万有引力等等就没有包括。

中小学被灌输了更多不一定正确的常史

共济会成员和普通人的区别

太不一样了,两个是向天上看,一个是向地上看,境界不一样

1.6引力的大小“恰到好处”

宇宙之所以能够经过很长时间诞生出天体和星系,以及孕育出我们这样的生命体,是因为引力的大小“恰到好处”。偶然还是存在何必然的原理?“理所当然”的那样那样?

1.7引力的理论还不完善

学问的进步就如同挖掘。藏于眼前岩壁后方的是未知的世界,通过挖掘此处会增长知识。但是,我们能够理解的未知世界也只是藏在岩壁里侧的一部分而已。在更深的地方应该还存在更为广阔的未知世界,可是我们连自己“并不知道有更为广阔的存在”这一点都没有意识到。直到挖到了那里,才开始与那个未知的世界对峙,遇到此前未曾想到过的谜题。

2、爱因斯坦的相对论

2.1爱因斯坦的狭义相对论(一维,平直的空间)与E=mc*c

物理学的两大理论,牛顿力学和麦克斯韦的电磁学,在光速的问题上,存在巨大的矛盾。(电波、光和放射线都是电磁波的一种)。在物体的速度远比光速慢的情况下,牛顿的速度合成定理可以计算出基本正确的“近似值”,而在光速这种“极限状况”下,需要一把比牛顿更加精密的“尺子”。1905年爱因斯坦发表的狭义相对论认为,无论何种状态下观测光速都是固定不变的,单纯的加减法对于它而言是不成立的。以时间和空间的变化代替了光速的固定不变。越接近光速,时间过得越慢,空间收缩得越小。而时间是什么?爱因斯坦认为时间的流动是一种因观测者的不同而发生变化的东西,并不存在人们普遍认为的“绝对时间”。

对于物体运动的思考,牛顿力学是以时间和空间不变为前提的。而光速是一定,与牛顿力学定理产生矛盾。爱因斯坦则认为如果光速一定的话,那么时间和空间只要发生伸缩就可以了。

E=m*c*c,质量与能量之间的转换成为可能,原子弹和核能便成了可能。

公式的推导和证明,重心的重要性质是只要没有外力的作用,其位置就不会改变。光子,光由粒子组成的,即光子,而光子没有质量(如果有质量的话,就无法光速移动)。小明与小花的抛球,改为发出光,在“能量守恒定律”和“质量守恒定律”,由麦克斯韦方程得知,光的压力与能量成正比,计算结果为E=m*c*c。质子撞击锂的原子核实验,发现其转变成两个氦的原子核,质量的总量仅仅减少了0.2%。证明了公式的正确性。

因此爱因斯坦的狭义相对论将麦克斯韦电磁理论与牛顿的力学理论打通。

2.2爱因斯坦广义相对论,阐明引力作用的理论,为什么会产生引力?(不存在引力,引力是纯粹的几何现象)

2.2.1可以消失的引力和无法消失的引力

可以消失的引力,在自由下降的电梯内感觉不到引力;无法消失的引力,月亮的引力对于地球的影响使地球在纵向拉伸,在横向上挤压。因此,地球表面的海水会沿着月球的方向逐渐涨满,与之垂直的方向则不断退去,这被称为潮汐力。

2.2.2广义相对论

广义相对论认为物体的“质量”也使空间扭曲、时间伸缩。因此根据爱因斯坦的理论思考,引力就只是“幻想”罢了。只要看上去存在引力这种力的作用,这种现象的真面目是“缺损角”和由此产生的“空间扭曲”。引力的真面目为时空的扭曲,在我们所在的三维空间中,地球围绕着太阳转动以及月亮围绕着地球转动,都是因为时空的扭曲改变了它们的运动方向。

只要有物体存在,时间和空间就会发生变化,时空的变化会给物体运动带来影响。而问题是“物体的存在让时空怎样发生变化”,“在变化的时空中物体如何运动”。

2.2.3广义相对论的验证

1)水星的轨道之谜

海王星的发现论证了牛顿理论的胜利。牛顿的引力理论同样认为,如果水星的内侧(靠近太阳)不存在另外一颗未知的行星,就无法解释它的运动轨道,而这个名字”Vulcan”的行星始终没有被发现。牛顿理论的破绽,广义相对论的方程式则完全适用于水星的运动,爱因斯坦获胜了。

2)艾丁顿的光线弯曲观测

爱因斯坦理论预言了引力使“光线发生弯曲”。1918年英国的亚瑟.艾丁顿通过观测日全食的实验,验证了太阳的引力使光线发生了弯曲。此现象广泛应用与天文学方面,特别是暗物质的研究,暗物质是大量存在于宇宙之中的“神秘引力源”。

3)引力波的存在

爱因斯坦的另一个预言,时空的扭曲应该也会产生波,且以光速在空间传播,还未印证

4)GPS导航

狭义相对论认为高速移动物体的时间流逝得比静止的要慢。每个GPS卫星时速为1.4万千米,根据狭义相对论,它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。另一方面,广义相对论认为引力对时间施加的影响更大(引力越强时间越慢,从由于其高速旋转而引力强的地方即卫星去观察引力弱的地方即地球则看上去时间会变快),GPS卫星位于距离地面大约2万千米的太空中,由于GPS卫星的原子钟比在地球表面的原子钟重力位高,星载时钟每天要快45微秒。两者综合的结果是,星载时钟每天大约比地面钟快38微秒。

3、爱因斯坦的极限——黑洞和宇宙诞生

牛顿理论的极限,牛顿力学的“速度合成定理”在光速是固定不变是运到极限,从这个破绽开始,诞生了爱因斯坦的狭义相对论。另一方面,牛顿力学理论在水星的轨道之谜中的失败,成功解释谜底的是爱因斯坦的广义相对论。

同样的道理,爱因斯坦理论也有无法解释的“极限状况”。其中之一便是“黑洞”。黑洞即连光也无法逃脱的星体。在说明黑洞之前,先了解“逃逸速度”,它就是指逃脱星球引力所需的最低速度。天体物理学家史瓦西推倒了逃逸速度为光速的天体的半径,即“史瓦西半径”。该半径的大小取决于天体的质量,例如地球的史瓦西半径为9毫米。如今我们发现了很多黑洞存在于宇宙各处,类星体便是位于星系中心的超巨大黑洞。

时空的奇点,在有限的时间内潮汐力变成无穷大的这个点。时空的奇点的问题涉及到我们一直思考的宇宙起源。哈勃定律:星系越远,其远离地球的速度就越快。哈勃的发现阐明了宇宙的膨胀。宇宙不可思议地发生着,某种能量的添加使宇宙加速膨胀,即“暗能量”,它和暗物质一样是谜团。

爱因斯坦方程式的破绽,彭罗斯和霍金发表了他们合著的论文。如果以被观测到的物质量和哈勃定律为前提,使用爱因斯坦方程式追溯到宇宙的过去,那么初期宇宙必然会产生奇点。霍金的科学生涯是从证明爱因斯坦理论并非完美理论开始的。

三、微观世界的粒子

1、光的真面目是粒子还是波?

牛顿认为光是微小的“粒子”组成,而惠更斯提出了光是“波”的主张,19世纪的托马斯.杨的双缝实验结束了这场争论。这个实验确定了光是“波”。麦克斯韦的电磁理论进一步说明了光是一种“电磁波”。1905年,爱因斯坦在论文中阐明了光具有“粒子”的性质,即著名的“光量子假说”。这个性质便解开了光是“波”无法解释的光电效应。光由粒子组成,每个粒子的能量与其波长成反比。红外线、紫外线、X射线、放射性物质的伽马射线便是例证。

粒子兼具“粒子”和“波”的性质(鲁宾壶)。

2、量子力学(与相对论共同支撑现代物理的理论)

无论费曼的路径求和,薛定谔的思想实验,都告诉我们在量子力学中各种物理量是“不确定性”。叠加所有可能路线的粒子叫做“量子力学粒子”。刘慈欣早期的科幻小说《球状闪电》讲述的便是人类捕捉宏电子,利用不同波长的宏电子将物体(例如芯片、人)量子状态,进一步研究宏原子,引发制造类似原子弹的宏核武器战争的科幻故事。科幻小说中所谓宏电子是指量子态的电子(便是利用了量子力学的不确定性原理),是“既可能存在,又可能不存在的”,但当有观测者出现时,电子的状态坍缩为基本态。

3、融合量子力学和狭义相对论,预言“反粒子”

这是个令人费解的思考问题,反正知道结论就好,所有粒子只要将狭义相对论和量子力学组合在一起,就能推倒出任何粒子都有相应的反粒子。像光子那样不带电荷的粒子也有反粒子,不过它的反粒子就是其自身。融合量子力学和狭义相对论为量子场论,融合量子力学和麦克斯韦电磁学则为“量子电磁学”。

4、剥开宇宙洋葱头的芯——超弦理论

《名为宇宙的洋葱》书中写道,洋葱最外侧的皮是我们日常所经历的世界。剥掉这层皮后,我们发现所有由“原子”组成。但这层也不过是“皮”而已。再剥掉这层皮后,里面出现了“原子核”。继续剥掉这层皮,原子核可以分解质子和中子。现在我们发现质子和中子也不过是“皮”罢了,它们里面充斥着叫做“夸克”的粒子。普朗克根据自己的理论和引力理论,找到了“普朗克长度”。融合了量子力学和广义相对论,便出现了“超弦理论”。这里所谓的string(弦)是指作为物质根源的基本粒子的最小单位。超弦理论认为所有粒子都由相同的“弦”组成。这里所说的“弦”,也会通过不同振动方式,组成夸克或中微子。

四、结尾

光意味着温暖、食物、安全以及生命,人类的历史便是追逐光的历史,人类在探寻光的本质漫长历程中逐渐揭示自然和宇宙的奥秘。古希腊的哲学家安比杜勒斯提出关于光的视觉的学说,由此产生了欧几里得《几何原理》。1000年之后,伟大的伊斯兰学者阿勒•哈增写了一部《光学全书》,解释了光的反射、折射定律,并作了精确的计算,从而推翻了光的视觉学说。国家和宗教也研究光和天文,权威颁布历法,基督教的铜表历法。笛卡尔通过对牛眼的解剖则证明了倒立成像法。玻璃制造的凸透镜、凹透镜,是人类可以借助更好的“眼睛”(天文望远镜和罗勃虎克发明的显微镜)去探索浩瀚星空和与浩瀚星空如此相似的微观世界。

引力和光,引力真的是解开宇宙在光的尽头的神秘的钥匙?发现万有引力的牛顿,利用三棱镜,精确地测量了光的色彩,发明了光谱。从麦克斯韦尔四个方程式开始,方程式将电、磁、光相互联系到一起,揭示光的本质,光是一种电磁波,以波的形式传播,掀起了新一轮的物理科学的革命。人类发现更多不同频率的光,可见光谱,不可见光,紫外线,红外线(与光的热源)。发明家爱迪生经过1600多次失败实验,终于发明了钨丝白炽灯点亮了整个世界。牛顿的力学理论在光速遇到极限并与麦克斯韦方程相互矛盾,爱因斯坦的狭义相对论则证明光速是永恒不变的,时间的流动是一种因观测者的不同而发生变化的东西,空间也会伸缩。在证明水星运动的轨道上,牛顿引力理论遇到破绽,而爱因斯坦的广义相对论又完美地诠释了水星运动轨迹。相对论在黑洞、暗物质那里有遇到同样的极限状况,宇宙大爆炸理论和宇宙的尽头是光的尽头?融合量子力学和狭义相对论为量子场论,融合量子力学和麦克斯韦电磁学则为“量子电磁学”。融合量子力学和广义相对论,便有了超弦理论。

科学与探索,虽然科学发现最初是源于研究者的好奇心,但是从长远看,也有不少成果最终在实际应用中发挥了作用。日本菲尔兹奖获得者森重文对于自己研究的基础数学这样评价:“虽然现在不能马上体现作用,但是50年或100年以后它会发挥出未知的作用。因此一颗探究之心是最好的指南针。”

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