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袁岚峰博士在中信出版社纪念爱因斯坦诞辰140周年活动上的演讲

已有 1663 次阅读 2019-9-30 08:27 |系统分类:观点评述

导读

要谈爱因斯坦对现代科学的影响,我们首先应该有一个基本概念,就是二十世纪发生了两场科学革命:一场叫做量子力学,一场叫做相对论。这两场科学革命最初都发生在物理学中,但物理学的规律决定了化学的规律,化学的规律决定了生物学的规律,这样一环扣一环地,对整个自然科学都造成了根本的改变。


非常感谢方老师和江老师的演讲(爱因斯坦小时候有道题没想通,想着想着就改变了物理学 | 科技袁人,美国对科学家的“重视”,爱因斯坦早就体验过了…… | 科技袁人),让大家对爱因斯坦和当时的时代背景增加了很多理解。很多观众可能还想问:现在的科学发展到什么程度了?爱因斯坦对当代的科学,产生了什么样的影响?

本来这应该是理论物理学家回答的问题,而且还应该是杨振宁、李政道、温伯格、盖尔曼这种诺贝尔奖得主级别的,至少也应该是霍金这种级别的。不过很遗憾,我们今天没有请到这样的嘉宾。

我的专业是理论与计算化学,按说与理论物理的前沿有一段距离,不过跟现场的大多数观众朋友们比起来,可能还是近一点。所以只好不揣浅陋,按照我的理解来跟大家谈一谈,也许可以作为一个参考,也希望真正的内行专家多多指正。

下次再有这种活动,我们希望中信出版社更加给力,请到诺贝尔奖级别的嘉宾来解读,也就省了我的事了。

言归正传。要谈爱因斯坦对现代科学的影响,我们首先应该有一个基本概念,就是二十世纪发生了两场科学革命:一场叫做量子力学,一场叫做相对论。这两场科学革命最初都发生在物理学中,但物理学的规律决定了化学的规律,化学的规律决定了生物学的规律,这样一环扣一环地,对整个自然科学都造成了根本的改变。

这两场科学革命,革命的对象是谁呢?是十九世纪及以前的物理学,称为经典力学。用现在的语言,可以说经典力学描述的是宏观物体的低速运动。而这两场科学革命,就是打破了这两个条件:要描述微观物体,就必须用量子力学;要描述高速运动,就必须用相对论。

有趣的问题来了。什么叫微观?达到原子分子层次的,就是微观。什么叫高速?跟光速可以比较的,就是高速。

实际上,我们现在能够轻轻松松地做出这些回答,这绝不是理所当然的,背后都有爱因斯坦的巨大贡献。

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1905年被称为爱因斯坦奇迹年,爱因斯坦在若干个领域做出了开创性的贡献。其中一个领域,就是原子的存在性。

现在我们从小就学原子理论,早就把它看作天经地义的了。很多人可能没有意识到,这远远不是显而易见的。事实上,长期以来,有许多科学家反对原子的概念,其中不乏非常著名的权威科学家。

1905年,爱因斯坦基于原子理论,对布朗运动提出了一种定量理论。大家知道布朗运动是什么吧?就是像花粉这样在宏观看起来很小、但在微观看起来又很大的物体,在像水这样的液体中的无规运动,走的是随机的折线路径。现在很多人把印度的导弹戏称为布朗运动弹,就是来自这种现象。

爱因斯坦的布朗运动理论,跟实验符合得很好,一下子就证明了原子的存在性,还提供了一种测量原子质量的方法。从此以后,即使是原来最顽固的反对派,也不得不承认原子论的正确了。

爱因斯坦奇迹年的另一个奇迹,就是大家耳熟能详的狭义相对论。

狭义相对论的基本思想有两条。一条叫做相对性原理,说的是:物理规律在所有的惯性参照系中,都有同样的形式。什么叫惯性参照系呢?就是做匀速直线运动的参照系。另一条叫做光速不变原理,说的是:在所有的参照系中,光速都相等。

外行经常问的一个问题是,为什么要认为光速是速度的极限,为什么不可以有高于光速的速度?实际上,这不是爱因斯坦或者任何人的心血来潮,而是一个实验观测事实。举个例子,地球在自转,所以在地球表面沿着自转方向的光速,应该比垂直于自转方向的光速快一点,对不对?但实验观测的结果,却是测不出任何速度差别。

如果你在经典力学的框架中看这个实验事实,就会感到非常奇怪,简直不可理喻:光速加一个速度,为什么还是等于光速,而不是大于光速?在爱因斯坦之前,有许多科学家希望解决这个矛盾,但只是在原有框架上修修补补,于是搞得理论越来越奇怪,解释了这个,又会在其他地方翻车,按下葫芦起来瓢。

这时,爱因斯坦表现出了深邃的洞察力。他提议,不要用其他的原理来解释光速不变,而应该把光速不变当做一条基本原理,从这条基本原理出发,去推导其他结果。只要你的思想跨过了这关键的一步,那么后面的推理都如水之就下,一马平川。爱因斯坦推出的这整个体系,就是狭义相对论。

狭义相对论有很多惊人的结果,例如钟慢效应、尺缩效应。而在所有结果中,最著名也是最惊人的,大概就是质能关系E =mc2,能量等于质量乘以光速的平方。这可能是整个自然科学中最深刻的方程,它说明一定的能量必然对应一定的质量。在这个意义上,能量和质量就是一回事。后来发展起来的核武器、核电站,以及我们经常强调的、有望成为人类终极能源的核聚变,它们的科学基础都来自质能关系。

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狭义相对论已经是一个非常伟大的成果了。但是,更加令人惊叹的是,在此之后,爱因斯坦继续向上攀登,又提出了更加普适的广义相对论。

如果说狭义相对论的问题还有许多科学家在研究,如果没有爱因斯坦,这个理论也已经呼之欲出了,那么广义相对论就几乎只有爱因斯坦一个人在思考,如果没有爱因斯坦,可能我们直到现在都没有掌握广义相对论。人类历史上如此依赖于创始人一个人的理论,简直是绝无仅有。而广义相对论又是如此的美妙,任何能理解它的人,都必然感到巨大的震撼。

因此,在提出狭义相对论之后,爱因斯坦成为了科学界的著名人物,但在公众当中还不是很出名,而在提出广义相对论之后,尤其是在爱丁顿的日食实验初步证实了广义相对论之后,爱因斯坦一夜之间就成为了全世界的超级名人。虽然大多数人连狭义相对论都不理解,更不用说广义相对论了,但他们都知道了,爱因斯坦就是当代的神人,科学的象征。

这对科学传播有巨大的好处,例如科学的影响力就大大超过了宗教。所以,虽然爱因斯坦本人经常被各种误解困扰,但我们不妨把这看作一个小小的代价。当然,如果不误解,真正理解爱因斯坦做了些什么,那就更好啦,希望我们的观众能够达到这种水平。

广义相对论研究的是什么问题呢?由于时间关系,在这里只能说一点最基本的:狭义相对论说的是“所有的惯性参照系都平等”,但这还不能令人满意,非惯性的参照系该怎么办呢?因此,广义相对论说的是“所有的参照系都平等”,不再区分惯性和非惯性的参照系。

霍金研究的宇宙学,就是以广义相对论作为基础的。

这样的一个理论居然能构造出来,而且跟实验符合得极好,真是人类智力的伟大证明!以后如果人类遇到其他星球的文明,或者到了《三体》中描述的宇宙的最后审判日,人类掌握了广义相对论这一点,一定会为人类文明赢得高度的尊敬。

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说完了相对论这场科学革命,我们再来看另一场科学革命,量子力学。

爱因斯坦对量子力学也有重大的贡献,例如在1905年为了解释光电效应,提出光子的概念。实际上,爱因斯坦得到诺贝尔物理学奖,就是因为这个成就,而不是因为相对论!当然,这不是爱因斯坦的问题,而是诺贝尔奖委员会的问题。这个成果也完全当得起诺贝尔奖,只不过爱因斯坦还有更多更大的成果在那儿放着呢,好比给一个十项全能选手最弱的一个项目颁了最大的奖,所以显得有点滑稽,只能说反映了当时诺贝尔奖委员会极度的保守和固执。

因此,许多人喜欢聊的一个问题就是:爱因斯坦能得几次诺贝尔奖?有说四次的,有说五次的,甚至还有更多的。其实这个问题并不重要,诺贝尔奖发给爱因斯坦是诺贝尔奖的荣幸,而不是爱因斯坦的荣幸。

爱因斯坦早就知道自己肯定能得这个奖,以至于他在跟第一位妻子米列娃写离婚协议的时候,就写了:我现在没有钱,将来得到诺贝尔奖以后,把奖金给你!这话看起来十分荒诞,好像“还没中五百万就想着怎么分钱”,但米列娃居然也接受了,说明她也相信爱因斯坦肯定会得诺贝尔奖,只是早晚的问题。我在《科技袁人》节目中说过,有些在外人看来危若累卵的事,当事人也许是胸有成竹。你看,爱因斯坦的神操作,已经给我们做出了示范。

让我们回到量子力学。值得注意的是,虽然爱因斯坦为早期的量子力学做出了重要贡献,但随着量子力学的发展,爱因斯坦逐渐跟主流拉开了距离。这是因为量子力学揭示出关于实在性和因果性的一些非常深入的问题,在这些基本方面严重地挑战了日常生活的常识。爱因斯坦虽然赞赏量子力学在实用层面的成功,但对这些哲学方面的特征始终不能满意。

如果是一般人,那么在哲学层面抱怨几句也就完了,对科学发展不会产生多少影响。但爱因斯坦不是一般人,他总是想把哲学观点变成可观测的现象。1934年,爱因斯坦对量子力学提出了一个非常有创造力的质疑,现在我们称之为“量子纠缠”。

你八成听到过这个词,对不对?你还听到过量子纠缠有种种神奇之处,例如所谓“穿越整个宇宙的心灵感应”,对不对?虽然关于量子纠缠的许多所谓“科普”文章都是胡扯,但你确实应该知道,这是一个真实的物理学概念,而且这个概念是爱因斯坦提出来的。

爱因斯坦对量子力学提出这个质疑以后,怎么样了呢?后面的发展,只能用峰回路转来形容。经过多年的实验研究,现在绝大多数科学家公认,量子纠缠是一个真实的现象,爱因斯坦对量子力学的质疑是错误的。

更有意思的是,近三十年来兴起了一个新的领域“量子信息”,量子纠缠就成了量子信息中的一个重要工具。大家可能都听说过,科大就是全世界量子信息研究的中心之一,取得了许多重要成果,例如最多光子数纠缠的纪录就是科大潘建伟研究组创造的。

对此我们能说什么呢?爱因斯坦对量子力学的质疑虽然被证明是错误的,但这个深刻的思考还是得到了非常有价值的成果。伟人即使是错误,都这么有启发性!就像《大话西游》里紫霞仙子的名言:“跑都跑得那么帅,我真幸福!”

以上是我们对爱因斯坦的科学成果的介绍。但值得注意的是,爱因斯坦对科学的影响,不止于具体的成果,还包括方法论的层面。

具体一点说,爱因斯坦把对称性放到了物理学的中心。这话是什么意思呢?在爱因斯坦之前,物理研究的一般范式是先观察实验现象,然后提炼出理论,最后从理论中看出对称性。而在爱因斯坦之后,这个顺序就被颠倒过来了,是先指定研究对象的对称性,然后确定相应的理论,对实验做出预测,最后再做实验去对照。

爱因斯坦提出广义相对论,就是这样的流程。

很多观众可能听说过,杨振宁最大的成果并不是得到诺贝尔奖的宇称不守恒,而是另一个成果,叫做杨-米尔斯场论。为什么这个理论这么重要呢?原因就是,它可以被理解为一个标准接口或者理论框架,你把对称性输入进去,它就可以产生相应的理论,做出一大堆预测,然后实验物理学家去检测。

粒子物理目前的最高成就叫做“标准模型”,解释了所有已知粒子之间的相互作用,标准模型就是以杨-米尔斯场论的数学语言为基础的。而在所有这一切背后,都是爱因斯坦引进的、以对称性为中心的思维方式。

方在庆老师翻译的《我的世界观》,序言是杨振宁的文章《爱因斯坦:机遇与眼光》。杨振宁在此文结尾写道:

“他的新眼光改写了基础物理日后的发展进程。

爱因斯坦逝世几十年来,他的追求已经渗透了理论物理基础研究的灵魂,这是他的勇敢、独立、倔强和深邃眼光的永久证明。”

谢谢大家!


原文发布在【风云之声】公众号(2019年6月14号)



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