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日志

标标给最挚爱的友人:你能驯服星空吗?(图文)

热度 1已有 770 次阅读2015-10-31 05:38 |系统分类:山上互动 | 宽屏 请点击显示宽屏,再点击恢复窄屏 | 动漫全图 如只见部分动漫,请点击显示全图,再点击恢复窄图


让爱因斯坦教你看懂《星际穿越》
标标的礼物:
一位德国挚友与其妻子、现在在厄瓜多尔的一所医科大学工作今年夏天拍摄的星空。


标标提问:

那我问你个问题,我们或任何物质引力自身质量的存在引起空间最短最快的弯曲,这是时时刻刻存在的事情---累计发生到一定程度后我们经常会看到紊乱的发生,或者精确地说这个累计的过程就是一个从有序到紊乱的熵增过程。
举个明显的例子就是科盲级美女们经常会说岁月是把杀猪刀,地球引力是刀中刀,原来都是地球引力的作用使得俺们脸上的胶原蛋白断裂,又干扰了胶原蛋白或这蛋白那蛋白的合成或降解规律,导致俺们衰老和皱纹的发生。注意,美女们的车轱辘话说到这里都还是按照牛顿力学体系来说话的。

好,我的问题来了,在广义相对论语境里,你认为物体自身引力质量导致的时空弯曲事件一定会导致物体内部物质聚集方式以及化学反应的紊乱吗,即引力导致的时空弯曲事件必然导致紊乱发生的概率大于重整有序的概率吗?

因为我以为按照广义相对论以及诺特对称定理,理论上我们通过“虫洞”穿越也好,通过其他的数学意义上的“空间折叠”途径也好(至少是在黎曼空间或希尔伯特空间语境内),美女变成老太太与老太太复原成美女的几率应该是对等的。你如何解答俺的疑惑涅?

先问好龙珠师弟!

龙珠雷达:弯曲时空的对称性与守恒量的关系早有讨论,你可以参考这里:
我也不是完全懂。

至于广义相对论是否能够必然的产生热力学第二定律,这个我不知道,不过我想应该不会吧。

标标:

我也是因为看到生物学现象才想琢磨广义相对论与的统计热力学原理之间的联系,所以有了那个问题。
标标:
我也要问ishka及翰山一个问题-----广义相对论能否最终否定数理逻辑学存在的合理性?因果律?

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战争下的广义相对论 

爱 因斯坦1914年6月2日在柏林普鲁士科学院发表院士就职演说,话音未落,8月1日第一次世界大战爆发,德国绝大部分知识精英立刻狂热投身“爱国”热潮, 爱因斯坦却冒天下之大不韪加入反战联盟“新祖国”,并毫不犹豫地在反战的“致欧洲人宣言”上签名,立遭广大“爱国”科学家疯狂围攻。在德国科学家充满“爱 国”热情的歇斯底里围剿之下,在人类第一次全球大规模屠杀同类的腥风血雨之中,爱因斯坦在柏林完成广义相对论,并于1915年11月4、11、18和25 日分4次在普鲁士科学院宣读结果。因此,按知识产权分,广义相对论确实要算职务发明。德国人宣布爱因斯坦是德国人,从知识产权来看,不能说完全没道理。 1916年3月爱因斯坦53页的“广义相对论基础”发表于《物理学刊》,其基础即爱因斯坦三年前与数学家格罗斯曼共同署名的论文“广义相对论纲要和引力 论”。那篇论文由爱因斯坦负责物理部分,格罗斯曼则负责将其归纳为数学方程式。这本专著标志着广义相对论诞生。同年,爱因斯坦决定将11年前(奇迹年)发 现的相对论定名“狭义相对论”,而新的理论定名“广义相对论”。

因此,广义相对论纯粹是战争下的蛋。
但这个蛋却下了人类全新的宇宙。广义相对论被誉为人类历史上单个科学家所取得的最伟大的科学成就。讲爱因斯坦也躲不过广义相对论,在下这个业余爱因斯坦爱好者就再次麻起胆子来讲下鄙人理解的极简版科普相对论。再次声明,说错了不负刑事责任啊。
什 么叫物理学?物理学听起来很高深。汉语什么东西加个“学”就不得了,其实“物理”就是“世界万物到底是什么?”它是跟我们关系最密切的科学,因为每个人都 会问“太阳是什么?”,“地球是什么?”,“人为什么会死?”物理学源于古希腊圣哲亚里斯多德,其代表作之一即《物理学》(physic),其哲学称为 “metaphysic”,译为“形而上学”,其实按字源说意思是“物理之后”。就是说,先有物理,后有哲学。从根儿上说,最机智的相对论科普版来自爱因 斯坦本人。他晚年对青年学生说:“如果你和一个美女一起坐了两小时,你会认为仅仅过了一分钟;如果你在通红的火炉上坐了一分钟,你会认为已经过了两小时。 这就是相对论。”相对论的伟大并不仅仅在于它说明了美女和屁股及火炉的关系,而是超越了此前人类历史上最伟大的科学理论:牛顿力学。

那 么,哪个是牛顿?牛顿是亚里斯多德之后物理学世界第一大师。就物理而言,爱因斯坦的伟大还要超过亚里斯多德。问个问题:一个10公斤铅球和一个1公斤铅球 同时掉下来,哪个先落地?像我这样的科盲想都不会想就会说10公斤铅球先落地。亚里斯多德也这样说。他这句话人类信了将近两千年。其实不确。17世纪初出 了个欺师灭祖的伽利略,这个楞头青从比萨斜塔上同时扔下大小俩铁球,两者同时落地,大家才发现亚里斯多德说得不对。伽利略1642年去世,同年他的转世灵 童牛顿出生。按金庸说法,转世灵童功力都比前世更高。牛顿证明金庸是对的。牛顿被公认为英国至今最伟大的科学家,身兼物理学家、天文学家、数学家等一大堆 家,提出著名的万有引力定律和牛顿运动三定律,后者更被誉为人类历史上最伟大的十大科学发现之一。看官须知,公元1500年时地球上大部分人的生活与公元 前1500的人差不多,然而,这之后的500年,人类陷入翻天覆地的伟大革命之中,至今尚未结束。这革命几乎都归功于科学,而揭竿而起发动这场科学革命 的,就是牛顿。牛顿之前欧洲知识界是神学天下,当时欧洲人咸以为人类对世界的一切认识都来自上帝,亚当夏娃被逐出伊甸园,就是因为他俩结伙偷吃智慧之树上 的苹果,不依靠上帝就可以认识世界,严重得罪上帝老倌儿,所以他俩的后代——就是俺们——就有了“原罪”,即生下来就是罪犯,俺们活着就是为了赎这个罪。 几百年后传言牛顿被同一棵树上掉下来的苹果击中脑袋,于是有了万有引力。牛顿力学代表作《自然哲学的数学原理》(1687,康熙二十五年)在好友、天文学 家哈雷(后来有个老来骚扰地球的大尾巴彗星就以他命名)的再三坚持下才勉强拿去付印,结果一炮而红。该书最基本的观念就是“绝对空间和绝对时间”:在绝对 空间中,空间和时间都固定不动。这个话现在说起来稀松平常,当时却是个超级原子弹。此前欧洲人深信宇宙是上帝老倌儿替俺们安排好了的,当然包括空间和时 间,怎么会“绝对”?“绝对”的意思就是它们跟上帝没关系。牛顿担任英国皇家学会主席长达24年,被视为世界上活着的最伟大的人。当时世界科学水平的代表 是英国皇家学会,而这个学会全体成员毕恭毕敬屏息吞声地倾听牛顿每一句模糊不清的话;他不点头,任何人不能当选皇家学会会员。牛顿62岁封爵,1727年 3月去世后下葬英国名人封神榜西敏寺,墓志铭直接就是万年马屁:“让人类欢呼如此伟人曾经光临尘世”。出生晚牛顿45年、素以狂放不羁著称的英国诗人蒲伯 只表扬过一个科学家,就是牛顿,其颂词等于谄媚:“自然界和自然规律都隐藏在黑暗之中,上帝说,让牛顿出生吧!于是一切都是光明!”
因 此,哪个是牛顿?牛顿,就是上帝之下、人类之上的那个半人半神。但这个半人半神最著名的科学论断“绝对时间和绝对空间”有明显毛病:“绝对”就是不依赖于 任何事物而独立存在,可如果它们跟任何事物都没关系,那我们怎能知道世界上存在时间和空间呢?这问题牛顿答不上来,最后只好推给上帝,宣布绝对时间和绝对 空间是上帝创造的。这个毛病太明显,所以批牛顿的人络绎不绝。德国哲学家莱布尼茨批了一回,没批倒,19世纪奥地利物理学家马赫又批了一回,还是没批倒。 爱因斯坦横空出世之前,以“绝对时间和绝对空间”为金字招牌的牛顿力学经两百多年发展已臻完美,在解决地球上低速运动物理问题时取得了无以伦比的辉煌成 就,直到20世纪初,“绝对时间和绝对空间”在物理学界依旧神圣不可侵犯,当时物理学家都认为“后世物理学家可做的事情已经不多了!”

爱 因斯坦发现相对论毫无跟牛顿过不去的意思,但相对论却处处跟牛顿的万有引力过不去。举个例子:詹姆斯大力传球给你,你能看到篮球吧?可牛顿力学说速度必然 相加,因此球出了詹姆斯手之后就有一个向你而来的球速,这时球反射到你眼中的速度就是光速+球速。如果真是这样,我们根本没法儿看篮球赛,因为眼睛的运动 只能达到光速,永远跟不上加了一个球速的篮球。广义相对论正是源于对这个问题的追根究底:如果光速不变,时间和距离必须是变量,我们才能看NBA。因此, 时间和空间肯定不是固定不变的,也就是说,它们不是绝对的。爱因斯坦的结论是:时间、距离会因运动快慢而变化。地球上过了一小时,在一艘以每秒26万公里 飞行的飞船上,钟才走了5分钟。这理论听起来科幻,实际上石破天惊,因为它打破了牛顿的绝对时间和绝对空间,也就从侧面否定了上帝的存在。

广 义相对论的正式发表,一石激起千层浪,牛顿力学一统天下200多年的物理学界当场分裂。看官须知,1905年狭义相对论的出生仿佛如鲠在喉,不吐不快,全 世界物理学家都没日没夜为伊消得人憔悴,因为大家都明白,此剑不出物理学彻底没的玩儿了,爱因斯坦捷足先登,不过证明他才思敏捷。广义相对论的出现完全不 同。它象晴天霹雳一样没有任何先兆,它是爱因斯坦天才最强有力的证据。可以说,没有爱因斯坦,今天咱们也未必就能发现它。即使没有广义相对论,也不妨碍火 箭发射、卫星上天和计算机出现。但是,广义相对论继狭义相对论之后,又一次掀起了人类时空观大革命。

这场大革命到底有多大?
翻 开初中一年级几何课本,扉页里就是人所共知的平行公理:“在平面内,过已知直线外一点,只有一条直线和已知直线平行。”欧几里德几何第5公设!公元前 300年欧几里德将它写入《几何原本》,它和其它几个公理组成的欧几里德几何横扫世界,随之导出的大批定理已成人类根深蒂固的观念:三角形内角和等于 180度,直角三角形斜边长度的平方等于两直角边的平方(勾股定理),等等。欧几里德几何是人类创立千年完美数学大厦最重要的那块儿基石,人类文明中,从 平常无奇的桌椅到气势恢弘的宫殿,从随时可能毁灭人类的原子弹到俯瞰人间的卫星,无不闪烁着欧几里德几何直线的耀眼光彩。

Any more Question?1加1难道不等于2吗?
结 果,18世纪末德国出了个“数学王子”高斯,他就不择冒昧出来question了一下。他是第一个怀疑欧几里德几何的数学家。他与俄罗斯的罗巴切夫斯基和 匈牙利的波尔约分别独立提出非欧几何,经艰苦论证,终创与欧氏几何分庭抗礼的非欧几何。正是非欧几何救了爱因斯坦。他发现广义相对论之后大吃一惊,因为广 义相对论得出的几何结果实在太出意料,连他自己也不大相信。幸亏格罗斯曼向爱因斯坦介绍了非欧几何之后的黎曼几何,爱因斯坦方茅塞顿开。看官须知,如果让 爱因斯坦自己再去创立一套新几何,纵有格罗斯曼力助,也势如挟泰山以超北海,在所不能。想当年,高斯的高足黎曼为这套几何可是耗尽了一生的心血。这黎曼也 是德国人,他紧跟老师高斯彻头彻尾跟欧几里德唱反调,黎曼几何最基本的原则就是:“在同一平面内,任何两条直线都有交点”。

What?
黎曼根本不承认平面内存在平行线!
黎 曼几何告诉爱因斯坦童鞋,我们的宇宙并非只有长、宽、高三维,还得加上时间,因此它是四维时空。这个四维时空并非人类一直相信的那样平直,而是一个弯曲空 间。说了半天,到底啥子是“弯曲空间”?弯曲空间就是,如果你站在地球边上向宇宙发出一束光,若干年后,如果地球还存在的话,你会发现光从你背后绕了回 来。爱因斯坦是对的:宇宙空间遵循的是黎曼几何,而不是欧几里德几何。当你精确测量空间三点连成的三角形之内角和,你会发现它大于180度。欧几里德空间 是平直的,而黎曼空间是弯曲的,弯曲程度取决于空间中物质的分布,物质密度越大的地方(比如有个银河系或黑洞悬在那儿),引力就越大,相应地,空间弯曲就 越厉害。

两 点之间直线最短,这句话没问题吧?实际上,两点之间最短的是条曲线,即爱因斯坦提出的“世界线”。么么哒,啥子是世界线?在地图上的北京与纽约之间划条最 短的线,那是条直线,遵循的是欧几里德欧几何。Allright?可你找个地球仪,再在北京与纽约之间画条线,你会发现那是条曲线。为啥子?因为地球是圆 的!它只在地图上才是平的。在真正的地球上,北京与纽约之间最短的线不是直线,而是一条曲线,这段距离称之为“度规”(metric)。
光线的传播同理。在宇宙中,光线在引力影响下发生弯曲,意味着两点之间最短距离是曲线——世界线。世界线涉及到等效原理。啥子是等效原理?

想 当年还没有狭义相对论,物理学家研究加速运动把后脑勺都挠烂了。1907年德国诺贝尔奖获主斯塔克约爱因斯坦给他编辑的《辐射学年鉴》写篇文章介绍狭义相 对论,结果,爱因斯坦“坐在伯尔尼专利局办公桌前椅子上”思考这篇文章时,那个幸福的灵感突然降临:一个人从屋顶摔下来时,他无法感觉到自己的体重。看官 不信?那不妨自己爬上18层楼顶摔下来一回试试,反正物理上这点已被验证。此即等效原理。爱因斯坦在《辐射学年鉴》发表的这篇狭义相对论论文“相对性原理 及其结论”提出著名的“封闭箱”:在完全封闭的箱子中,观察者无法确定他自己究竟是静止呆在一个引力场中,还是处在没有引力场却在做加速运动的空间中。此 即惯性质量与引力质量“等效”。
到 底是啥子意思嘛?意思就是:如果冯教授今天被所有22个女朋友集体甩了,愤而跳下162层高的迪拜塔自杀,跳下时扔出身上带的222根儿每根儿重22公斤 的金条,这些金条将跟冯教授同时下落。在落地摔得脑浆迸裂之前,如果冯教授俩眼儿只盯着金条,他根本无法判断自己和金条到底是在同时下落呢,还是跟金条一 起在空中自由漂浮。翻译成爱因斯坦的话,就是:冯教授自由下落时看着金条的这个小参照系“等效于”没有引力作用时的惯性(大)参照系(迪拜塔和地球)。根 据等效原理,爱因斯坦提出高速运动会让时间变慢。正是在这一点上,广义相对论超过了狭义相对论。狭义相对论把相对性扩展到时间与空间,即时间的快慢取决于 运动的速度;而广义相对论再进一步,把相对性扩展到惯性系与非惯性系,于是,时间的快慢不仅取决于运动速度,还要取决于物质分布的密度。广义相对论用空间 结构的几何性质来描写引力场,一统几何与物理。在这个四维时空中,引力速度等于光速。广义相对论证明,我们之所以只能看见三维空间,是因为人类思维早已习 惯三维空间,我们只想看见三维空间。

说了半天,爱因斯坦发明这一堆理论,到底是啥子意思三?
爱 因斯坦的意思是:万有引力根本就不是力!牛顿认为太阳吸引地球,而地球吸引苹果,最后苹果掉下来砸到牛顿脑袋上。事实居然并非如此!无论地球还是苹果,它 们都不过是义无反顾地选择了最近的路,而它们的路之所以是弯的,以至我们错误地认为它们受到万有引力的影响,仅仅是因为任何物体的存在都会导致自己周围的 空间弯曲,重量巨大的物体(如黑洞或银河系)会使空间明显弯曲。换句话说,如果宇宙中什么东西都没有,它就是平直的欧几里德空间;它之所以是弯的,就是因 为存在黑洞、银河系、冯八飞教授这些东西。
举 个例子:我们把床单绷在长方形框架上,然后放个橙子,它会凹陷下去,之后我们再放一个小石子,石子会自动滚向凹洞中的橙子。这并非因为橙子具有“万有引 力”而吸引了石子,而是橙子在床单上压出的那个坑让石子义无返顾地选择最短的路顺着坑壁滚了下去。地球绕太阳旋转,苹果落向牛顿的脑袋,同理。
广 义相对论诞生过程的惟一现场目击者是爱因斯坦第二任妻子罗爱莎。她曾向卓别林讲述,后被卓别林记入自传,原文是这样的:博士像往常那样穿着睡袍下楼吃早 餐,可那天他什么都没吃。我想一定出了什么大事儿,于是就问到底啥事儿让他魂不守舍?他回答说:“亲爱的!我突然有了个巧妙的想法。”喝完咖啡后他走去弹 钢琴,几次停下来在纸上记录,然后重复说:“我有了个巧妙想法,非常奇妙的想法。”他说:“这很困难,我仍需工作。”他继续弹钢琴,并在纸上写来写去。半 小时后他上楼去书房,告诉我不要打扰他。他一直留在书房里两个星期,每天我上楼给他送饭,傍晚时他散一会儿步当作运动,回来继续工作。最后,他走下楼来, 把两张纸放在桌上,脸色苍白地说:“这是我的发现。”
这就是广义相对论!

为什么说广义相对论伟大?
因为广义相对论解决了人类的两大问题。
第一个是引力。狭义相对论圆满解释力学、热力学和电动力学物理规律,却无法圆满解释引力。牛顿的引力理论是超距的,他认为两个物体之间引力的传递是瞬时的,即传递速度无穷大,而广义相对论认为光速恒定30万公里。
第 二个是非惯性系。狭义相对论与牛顿力学以及其它物理学原理一样只适用于惯性系,但事实上我们很难找到完全的“惯性系”。例如狭义相对论无法解释“双胞胎佯 谬”:双胞胎的哥哥乘宇宙飞船以亚光速航行,高速运动让时间变慢,哥哥回到地球时弟弟已经比哥哥老多了。这事儿大家都知道。可大家不知道的是,按照相对性 原理,飞船相对于地球高速运动,实际上也等于地球相对于飞船高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。因此他俩看上去应当一样。这问题简直 没法儿回答。那么,狭义相对论错了吗?没错。这里的问题就出在惯性系。狭义相对论讨论的运动,其速度都是恒定的(即惯性系),而双胞胎哥哥要回地球,他乘 坐的飞船必须减速(即非惯性系)才能降落地球。可狭义相对论并不讨论减速运动的事儿,因此无法解释双胞胎佯谬。
广义相对论介末伟大,可它对我们人类到底有啥用呢?无用之用相对论


上回说到广义相对论是人类有史以来最伟大的科学发现。那么,这个最伟大的理论到底有啥用?啥用都没有。它既不能让我们变得年轻漂亮,也不能让我们大吃大喝同时减肥,更不能帮助我们找到又轻松挣得又多的工作。
世界上真正伟大的东西,通常都没有实际的用处。没听说过无用之用?
广义相对论的用处无穷,经济观察报版面金贵,我就在这里挑些我觉得重要的说下。
广义相对论最大的用处,不过就是告诉我们,宇宙到底是啥样。

够不够有用!
看官须知,直到1917年,整个人类最聪明的大脑包括伟大的牛顿,都认为我们的银河系就是整个宇宙,而且这个宇宙永远固定不变。
从有人类这种东西开始,我们最大的问题就是:为什么有我们?为什么有这个世界?为什么月球不离开地球,地球也不离开太阳?基督教说,上帝规定月球与地球必须呆在一起。牛顿说,是因为万有引力。爱因斯坦说,那是因为空间弯曲。

牛顿说引力是联系宇宙万物的纽带,引力将太阳和地球吊在空间中,并且自转加公转。爱因斯坦说,其实宇宙根本没什么万有引力,那是我们肉眼看不见的空间弯曲造成的假象。
牛 顿认为宇宙空间是平直的。爱因斯坦认为宇宙就象一张绷在方框上的床单,质量巨大的星系就象放在这张床单上的铅球。铅球在床单上压出的坑,竖起来看就相当于 哈哈镜,而光线通过这些哈哈镜时会使我们产生宇宙广阔无边的幻觉。爱因斯坦预言,如果我们站的位置合适,我们可以看见一个遥远星体的数个幻像。这就是天文 学上著名的“引力透镜”,后来被天文学证实,我们才知道:空间居然真的弯曲!我们这时才发现,牛顿不过看见了自己的鼻子尖,而爱因斯坦看见了万里之外的大 海。如此开阔而精彩的大海!

空 间可以弯曲,我们很难理解,因为我们生活在慢速地球上,感受不到空间是弯曲的。牛顿的万有引力之所以容易理解,就是因为它建立在人类日常生活经验之上。牛 顿不仅认为太阳系是平的,他认为宇宙也是平的,所以他带领我们发现了三维世界,即万物都有长、宽、高。牛顿提出的万有引力是物理学的伟大革命,问题是一直 到这场革命结束他都无法说明引力来自何处。史上最大的科学暴动发起人牛顿用万有引力否定了上帝,但这个伟大的暴动者最后却不得不回到上帝温暖的身边:牛顿 宣布引力源于上帝。西方文明老祖儿亚里斯多德认为世界转动来自“第一推动者”,基督教神学狂批亚里斯多德几百年后出了个意大利神父阿奎那,他宣布亚里斯多 德的“第一推动者”就是上帝(其实亚里斯多德本人从未说过这句话),欧洲历史上最为黑暗的政教合一中世纪随这句话降落人世。顺便说一句,这个阿奎那是中世 纪天主教最伟大的神学家之一,著作据说达1,500万字。

爱 因斯坦根本否认宇宙空间是平的,他认为宇宙就象一幅放了无数棉花球和铅球的床单,床单被这些球压出深浅不一的坑。牛顿之所以认为宇宙是平的,是因为他只看 到了几乎压不出坑的棉花球——地球。想在宇宙空间中压出明显的坑来,需要巨大的质量(即重量)。太阳这么大的星球也只能压出几个原子大小的坑(即坑深只相 当于几个原子的直径),这样的坑,我们用现在最先进的仪器也测不出来。所以,要找到地球人看得见的坑,必须放眼整个宇宙。
相 对论的第二个用处是发现黑洞。广义相对论问世后德国物理学家史瓦西证明,如果把太阳压缩成半径3公里的球体,引力的强烈挤压会使太阳密度无限增大,随后产 生灾难性崩塌,使太阳的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃出来!由于无法反射光,崩塌后的太阳与宇宙就分割成两个截然不同的区域,而那个分 割的球面就是“黑洞视界”,即我们眼睛能看到的尽头,超过这个尽头,我们就看不见了。也就是说,如果太阳变成黑洞,我们站在地球上就看不到太阳,却能看见 太阳前后的其它星球。这就是黑洞!以他命名的“施瓦西度规”说,当我们接近黑洞达到一定半径之后,时空弯曲会变得无穷大,这时我们不再像是下缓坡,而是突 然从悬崖边上掉下去了——你走得太远了,已经无法找到回家的路。此即“施瓦西半径”,即黑洞的半径。任何东西包括光线进入施瓦西半径后将无法逃走,最后一 定会被黑洞撕碎吞掉。黑洞质量巨大,最大黑洞的质量据说超过太阳10亿倍。看官须知,太阳相当于130万个地球!130万乘10亿,相当于多少,大家可以 拿手机自己算下。如果黑洞是地球,地球大概相当于一粒芝麻。然后,这粒芝麻上还有很多细菌那么大根本看不见的小人儿,因为没当上处长或者没发财而郁郁一 生!

有 意思的是,当时所有科学家,包括爱因斯坦本人和证实相对论的爱丁顿,全体断然否认存在黑洞。爱因斯坦还宣布他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大。黑 洞这个名称也是50年之后才由美国物理学家惠勒命名的。严格说来黑洞并非星球,它只是宇宙中的一块儿地方,这地方跟宇宙互不通连,黑洞视界将它们彻底分 隔。黑洞视界以外光可以任意相互联系,就是说我们可以看见所有的东西,这就是我们的宇宙。黑洞视界以内,光线不能自由传播,而是向中心集聚,这就是黑洞。 在黑洞内部,物体向黑洞坠落的过程中潮汐力越来越大,在中心区域,其引力和起潮力都是无限大。因此,在黑洞中心,除了质量、电荷和角动量以外,原子、分子 等等都将分崩离析,根本不存在我们人类已知的任何“物体”。在黑洞中心,全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点,任何强大的力量都不 可能把它们分开。

这就是“奇点”!
广义相对论无法说明“奇点”,量子论才能说明,于是令人啼笑皆非的情况出现了:广义相对论发现了黑洞,却在“奇点”失效,被迫让位给量子论,可广义相对论的发现者爱因斯坦与量子论的发现者玻尔,却水火不相容!
广义相对论的第三个用处是宇宙常数。
在 爱因斯坦天文学中,宇宙不是膨胀就是收缩。那宇宙如何在膨胀与收缩之间保持平衡呢?创立广义相对论的第2年爱因斯坦发表论文《广义相对论的宇宙学应用》, 否定传统物理定论“宇宙无限”。他把宇宙看作一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区,推论宇宙在空间上“有限无边”。这是天文学史上最大胆的推测。从 此,人类对宇宙的研究摆脱了闭着眼睛瞎猜,真正睁开眼进入了现代科学领域。爱因斯坦认为宇宙在膨胀与收缩之间保持平衡的原因是“宇宙常数”——一个与引力 相反,但强度完全一样的斥力,它随着天体之间距离的增大而增强,完全抵消引力,从而让宇宙保持稳定,避免宇宙崩溃。

这是啥子意思?意思就是:爱因斯坦认为宇宙是静态的。
可 1922年俄裔美籍物理学家弗里德曼通过数学计算发现宇宙随着时间在不断膨胀。1927年,比利时天文学家、顶级桥牌大师乔治斯·勒梅特得出同样的计算结 果。爱因斯坦拒绝接受动态宇宙。他坚信宇宙是静态的,除了时间变化,其它一切都不变。因此他尖锐地批评弗里德曼和勒梅特。这时,哈勃闪亮登场。1929 年,现代天文学之父哈勃观察宇宙深处星云的红移现象后证实,所有星系都在高速离银河系而去,而且,无论我们站在宇宙中哪个星系中,看到的情形也都一样:别 的星系也在高速逃离我们所站的这个星系。距离越远的星系,逃离的速度越大。
这 又是啥子意思?意思就是,整个宇宙在不断膨胀,即:宇宙是动态的。哈勃得意洋洋地把观测结果拿给爱因斯坦看,爱因斯坦当场哑口无言,不得不宣布放弃宇宙常 数并公开收回对弗里德曼的批评。按照哈勃定律,如果将宇宙的膨胀反推,就意味着在非常非常遥远的过去,最早的宇宙是半径为零的一个点。1948年美国物理 学家伽莫夫根据哈勃定律提出宇宙大爆炸理论,认为原始宇宙诞生于一次壮观的大爆炸,立刻变成意见领袖。50年后天文学家发现宇宙不只在膨胀,而且这种膨胀 还是加速度的,即所有星系逃离银河系的速度都越来越快。这是啥子意思?意思就是,一定有某种神秘的力量在暗中以加速膨胀的方式撕扯着宇宙的所有星系。这种 力量科学家称之为“暗能量”。近年来,科学家通过观测和计算证实暗能量不仅存在,而且还是宇宙的主流,约占宇宙总量的73%,此外“暗物质”约占23%, 而我们人眼能看见的宇宙物质如地球月亮星星等,仅占4%!
咱们从小就知道,天上星,数不清。爱因斯坦告诉我们,数不清的满天星只是宇宙中的“一小撮”,宇宙的绝大部分我们知之甚少,或者干脆毫无所知。

够不够惊心动魄?够不够有用!
人类认识的道路永远如此:我们对最重要的东西总是视而不见。我们知道得越多,就越发现自己实际上非常无知。记得苏格拉底那句话吧:我最大的知识即“我知我无知”。
暗 能量给宇宙常数平了反,证明它起码从思路上是正确的。宇宙常数以暗能量的面目满血复活,它产生的汹涌澎湃的斥力令整个宇宙为之色变。暗能量和引力之间的战 争自宇宙诞生起就从未停止。科学实验证明现在暗能量的密度已大于物质的密度,即引力已经战败,宇宙正在以前所未有的速度加速膨胀。科学家预测,再过200 亿年宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有行星、恒星、星系一一撕碎,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷。和黑暗。记不记得《菜根谭》下篇第12节那句 话:“山河大地已属微尘,而况尘中之尘;血肉身躯且归泡影,而况影外之影。非上上智,无了了心。”Take it easy。当没当上处长或中国首富,拿没拿诺贝尔奖,真没那么重要。爱因斯坦虽然拿了诺贝尔奖,但却深得其中三昧。话说有天他在朋友家吃饭,忽然来了灵 感,拿起笔找不到纸,居然直接把公式统统写到主人家雪白的新桌布上。这则脍炙人口的爱因斯坦幽默故事实际源于一个误会:我们没明白,当爱因斯坦在桌布上写 公式时,他脑海中浮现的是宇宙的终极毁灭。跟黑洞、暗能量、200亿年后的宇宙末日相比,一块新桌布和主人痛心疾首的白眼,算哪把夜壶?
广义相对论还有一个用处是发现了引力波。爱因斯坦的这篇文章1916年发表于《普鲁士科学院学报》。引力波理论进一步完善了广义相对论。

啥子是引力波?
广 义相对论说,质量巨大的星系在宇宙中压出深坑的同时还会形成“引力波”。任何被外力弯曲的物体在连续时间里都会形成“波”,比如风吹西湖会产生水波。这种 星系弯曲过程中在宇宙中形成的“波”,就是引力波。引力波处处存在。声波和光波无法穿越墙壁,更不用说地球了,而任何物体对引力波而言都是透明的。引力波 形成后就携带能量和波源物体的密码在宇宙中游荡,永不消逝。声波和光波为人类打开了地球的奥秘之门,而引力波为人类打开了一扇了解宇宙的全新窗口。凡是有 质量的物体进入加速运动都会发射引力波:一个李娜发出的网球,一个散步的冯八飞,月亮围绕地球运动……不过,对人类来说,引力波实在太弱了,太阳这么大的 星球发出的引力波,我们用现有仪器也无法测量。要测引力波,只能把目光投向宇宙中那些质量巨大的恒星。天狼双星产生的引力波功率可达1.1×1015瓦, 其能量足以推动太阳那么大的恒星。不过,它们的引力波穿越辽阔的宇宙到达地球时仅剩下1.3×10—24瓦,微弱得只能震动一个原子,根本测不出来。

我们只好想别的办法。
1974 年美国射电天文学家胡尔斯及泰勒在宇宙深处发现了射电脉冲星PSR1913+16,它以每秒自转200圈,同时以不到8小时一圈的公转绕其伴星旋转,在这 场高速的“二人转”舞蹈中,其能量在它们自己激起的时空巨浪中逐渐损耗,结果两者越来越近,转速越来越快,预计在距离剩下500公里时它们就会以亚光速扑 向对方,直到碰撞融合,成为黑洞。这个碰撞的惨烈程度是我们用人类语言无法描写的,它相当于宇宙中发生一场巨型时空海啸。我们津津乐道的什么“火星撞地 球”在它面前连个土鞭炮都不如。根据计算,这场宇宙大冲撞将于3亿年后发生。可它们离地球如此遥远,如果冲撞今天发生,以我们今天的科技,我们甚至听不到 它们合二为一时发出的欢叫。

胡尔斯与秦勒的观测证实引力波存在。
如 果我们对引力波的了解达到声波和音波的水平,我们就可以看见地球内部到底有什么、黑洞到底是什么、甚至有可能看见137亿年前宇宙是不是真的发生过大爆 炸。我们寻找外星生命都是通过电磁波和声波,其实它们连墙壁都无法穿透,在宇宙中到底能走多远很值得怀疑。也许外星人早就用引力波跟我们联系过了,只是我 们的耳力如此不好,从来没听到过而已。我们仰望夜空,总觉得宇宙无限美丽寂静,其实那是因为宇宙没有空气,声波无法传送,所以宇宙无声。如果我们有引力波 喇叭,宇宙将变得万声鼎沸,引力波能让我们听到宇宙所有的故事:耀眼的超新星爆炸的声音像爆米花一样;中子星碰撞和黑洞产生像一场《欢乐颂》大合唱;你甚 至能听见宇宙炸开、但光子还没跑出来之前那阵空前绝后的巨响。光波让我们看见远处的东西,而引力波则能让我们听见过去和现在。用引力波发射信号,我们将不 需要电视塔和通讯卫星,手机将没有盲区而且永不掉线。引力波带给我们的,是真正无与伦比的时空穿越。按照这个理论,创造宇宙的不是上帝,而是引力波。宇宙 大爆炸后产生了一锅能量与物质完全均匀分布的高温“夸克汤”,根本没有太阳地球冯教授这些东西,正是与大爆炸同时产生的引力波搅动夸克汤,让物质开始碰 撞、旋转、冷却、凝聚,依次聚成原子、尘埃、恒星和星系,这才有的地球!然后又过了多少多少万年,才有的我们。然后再过多少多少万年,我们又毁灭了!我们 有必要在毁灭之前因为没当上处长而得抑郁症吗?
从 光速不变的萌芽,到弯曲空间的宇宙,最终到达波动时空这一宇宙本真,爱因斯坦思想的光辉历程不但为人类构建了眩目耀眼的相对论,也为人类发掘出引力波的宏 伟宝藏。我们现在还无法描绘引力波的所有神奇用途,但它带给我们的想象与期待在在无以伦比地迷人和壮观。为人类展现引力波神话的爱因斯坦,无疑是最伟大的 为人类盗取天火的现实版普罗米修斯。引力场预言彻底改变了时空几何学的游戏规则,它证实时间和空间是不可分割的四维整体,因此远远把牛顿力学抛在身后。
是的,我们的宇宙科学至今仍然不能超越爱因斯坦。也许永远都无法超越。因为,宇宙很可能就是他说的这个样子。

广 义相对论的惊世亮剑甚至赢得科学的死敌基督教。爱因斯坦之前,基督教基本上是反科学的,可尽管罗马教廷烧死布鲁诺、查禁哥白尼、监禁伽利略,但科学仍然不 可阻挡地深入人心,牛顿力学更是一记打在胃部的重拳,疼得基督教直不起腰来,基督教从此只是“部分欧洲人的信仰”,神学家已经不敢下场跟科学家论战。基督 教虽然号称拯救全人类,但处理具体事务时跟普通政党并无二致,也得遵循政治游戏规则,比如“敌人的敌人就是我们的朋友”。牛顿学说被相对论打倒,广义相对 论宣布宇宙可能有限,基督教心情大舒服:宇宙有限,那宇宙之外不就是天堂么?所以,在爱因斯坦访问英国的宴会上,坐在他旁边的坎特伯雷大主教就恭恭敬敬地 向爱因斯坦请教:“教授,听说您的理论似乎提供了基督教的某种证据?”正遭德国科学界万众围攻、急需同盟军的爱因斯坦却微笑着拒绝了基督教热情洋溢的大 手:“对不起,相对论纯粹是科学问题,与基督教毫不相干。”爱因斯坦拒绝与敌人的敌人联手。他知道,那样他会得到一个强大的盟友,却会就此输掉自己。丘吉 尔说,为打败希特勒他可以跟魔鬼结盟。因此,丘吉尔虽然也很伟大,但跟爱因斯坦确实没法儿比。

真不是一个数量级。
1917 年10月1日,在即将战败的德国,威廉大帝物理学院终于建成,爱因斯坦如约出任首任院长。这是他第二次当院长,薪水还挺高。一年后,1918年11月9 日,隆冬降临,德意志帝国投降,魏玛共和国成立,第一次世界大屠杀结束。德意志民族举国悲痛战败,而爱因斯坦等一小撮科学家高举双手欢迎。德国战败,证明 爱因斯坦当初签署《致欧洲人宣言》是正确的。
爱因斯坦会因此获得德国科学界的万众欢呼吗?

近日与中国同事(这位年轻人是传奇性的工程物理学家欧阳院士的侄子,虽然是我小师弟,但我们的父辈有交集)在一起工作加班,亚店的红牛饮料变成了必备品:







鲜花

真棒

玩闹

同情

看看

困惑

震惊

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发表评论 评论 (5 个评论)

回复 ishka 2015-11-1 01:03
不知广义相对论怎么否定数理逻辑学存在的合理性啊?  
回复 夺标 2015-11-1 07:41
ishka: 不知广义相对论怎么否定数理逻辑学存在的合理性啊?   
问你呢,不是最终只有因果律可用吗?
回复 夺标 2015-11-1 08:51
ishka: 不知广义相对论怎么否定数理逻辑学存在的合理性啊?   
如果一切都是可以穿越的,可以循环回来的,有界无边的,真看不出数理逻辑在这种绝对必然性语境里会是怎样的存在----美女必然会变成老太太,老太太也必然可以穿越为美女,再需要追溯下美女这个事物是从哪里来的呢,诠释这个存在似乎是我们搞生命科学的事,so what?
回复 ishka 2015-11-1 10:41
夺标: 问你呢,不是最终只有因果律可用吗?
数理逻辑只适用于数学,并不适用于其它行业,它在“存在。。。”与“任给。。。”量词的使用上又极其严格的限制!
回复 夺标 2015-11-1 11:21
ishka: 数理逻辑只适用于数学,并不适用于其它行业,它在“存在。。。”与“任给。。。”量词的使用上又极其严格的限制! ...
谢谢给扫盲!

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