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爱因斯坦:与光一起飞奔的专利局小职员 精选

已有 4469 次阅读 2020-11-19 16:33 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

在学术界有一种说法:80%最重要的成果是10%最优秀的科学家做出来的。虽然人们不可能定量地考证这一说法的可靠性,但可以肯定的是:科学的突破性发展的确主要是由少数最卓越的科学家驱动的。这些天才似乎拥有一种与生俱来的敏锐,即对自然现象及其内在规律的深刻洞察力。然而常识告诉我们,灵感一般不会凭空产生,往往需要某种“触景生情”般的外在提示,从而在一刹那间激活当事人的好奇心和想象力,窥视到现象背后别有洞天的一面。爱因斯坦在创建狭义相对论之初,就曾有过如此这般的经历。

19026月,大学毕业后一直没有找到稳定工作的爱因斯坦在朋友的介绍下,进入瑞士伯尔尼专利局,成为一个整日与专利申请书打交道的小雇员。作为钟表大国,瑞士的很多专利申请都与时钟的校准技术有关。爱因斯坦在日复一日地处理这类专利申请材料的过程中,难免不对“时间”的概念耿耿于怀。由于传统的钟表都是通过指针的“空间”运动来表征“时间”的变化,这让爱因斯坦情不自禁地考虑将两者紧密地联系在一起,从而开始质疑牛顿的绝对时空观----即时间和空间是各自独立的,相互无关的。

在陕西未来出版社新近推出的《爱因斯坦与相对论》([英]卡尔·威尔金森著,[英]詹姆斯·刘易斯配图,王旭华译)一书中,记载了这样一个小故事(如下图所示):19055的一天,爱因斯坦在上班途中路过市中心著名的伯尔尼钟楼,听到整点的钟声响起,突然产生了灵感。他想,假如自己以光速远离钟楼,那么身后的钟会怎样计时呢?请注意,爱因斯坦的这个“思想实验”中出现了三个基本概念:时间、空间和光速。为什么他假设自己以“光速”而不是“声速”或者随便什么速度远离钟楼呢?原因只有一个:当时爱因斯坦不仅关心时间和空间的内在关联,还正在研究光的量子化问题,他知道只有光速才是宇宙的极限速度。

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19056月底,爱因斯坦将一篇题为“论动体的电动力学”的论文投到德国的老牌专业期刊《物理学年刊》。这就是狭义相对论的开山之作,其中反复出现的光速c似乎被称作爱因斯坦常数更合适,因为是爱因斯坦首次让这个最无神秘色彩的物理学基本常数充当了一种极其特殊的角色。与经典物理学完全不同的是,光速被爱因斯坦赋予了绝对的意义,而时间和空间则只具有相对的意义。换句话说,真空中的光在任何惯性参考系、针对任何观察者都以不变的速度传播,而时间流逝和空间距离则会因观察者的不同而不同。故而相对论导致了几个颠覆经典物理学认知的推论:(1)时间延缓----作高速运动的时钟在静止不动的人看来,走得要比自己身边的时钟慢;(2)空间收缩----作高速运动的物体在静止不动的人看来,其长度在运动方向变短了;(3)同时的相对性----处于一个惯性参考系的人所看到的同时发生的两个事件,对于处在另外一个惯性参考系的人来说却未必是同时发生的;(4)质能方程----物体的能量等于它的“动”质量乘以光速c的平方(这一改变了整个世界的方程是爱因斯坦在19075月推导出来的,那时他仍然供职于伯尔尼专利局)。

  以狭义相对论和量子力学为基础的粒子物理学标准模型告诉我们,只有静止质量为零的粒子才以光速运动,否则它的运动速度必定小于光速。光子由于受到电磁规范不变性的保护,是标准模型中唯一静止质量严格为零且可以在空间自由传播的基本粒子,因此光速定义了微观和宏观世界的速度极限,成为相对论中唯一具有绝对意义的物理量。基于标准模型的希格斯机制,如下图所示,在电弱对称性严格保持的能标,基本粒子没有质量,因此它们的能量都体现为以光速运动的动能;而电弱对称性自发破缺之后,电子等基本粒子获得了有限的静止质量,这时它们的最大运动速度也只能是无限逼近光速而已。任何粒子的运动速度和信息的传递速度都不可能超过光速的事实,也保证了因果律始终成立。

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在不传递信息的前提下,超光速是有可能发生的,而宇宙最初的暴胀阶段就属于这种情形。下图是诺贝尔物理学奖得主特霍夫特(Gerard ‘t Hooft)及其合作者在《Time in Powers of Ten》一书中所展示的宇宙空间随时间膨胀的大致行为曲线,其中暴胀发生在十分短促的时间段,在此期间宇宙空间的拉伸程度则十分惊人。由此可以估算出暴胀的速度远远大于光速。按照宇宙暴胀理论的创始人、美国物理学家古斯(Alan Guth)的说法,空间尺度在一瞬间的巨大拉伸本身并不传递信息或能量,因此这种情形的超光速并不违反狭义相对论的基本要求。

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众所周知,欧洲的OPERA合作组曾在2011923宣称发现了中微子超光速的实验证据,这一消息立时震动了整个科学界。由于中微子具有极其微小的静止质量,因而它们的运动速度应该永远不会等于或者超过光速。当时诺贝尔物理学奖得主温伯格(Steven Weinberg)被问及如何看待OPERA的实验结果时,他不无幽默地回答道:关于这个实验的报道令人印象深刻,但令我感到郁闷的是,有足够的证据表明所有其他的粒子从未跑得比光快,而观测中微子是异常困难的。这就好像有人说在他们家的花园深处藏着许多仙女,不过只有在雾蒙蒙的黑夜才看得见她们。”果不其然,挑战爱因斯坦谈何容易,OPERA的测量很快就被发现存在致命的问题;后者被修正之后,超光速的结论随即烟消云散

最后做个广告:《爱因斯坦与相对论》这本书值得推荐给小朋友看。

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