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爱因斯坦的学说沦落为背景

2019-11-11 18:28

爱因斯坦的学说沦落为背景





咱们之前说过狭义相对论,有两个基本假设即光速不变原理和相对性原理。光速不变原理指:单向光速是个常数在宇宙中是一个定值,与光源的运动无关,与参照系无关,不因参考系的改变而改变。光的传播按照弦理论所说就是宇宙中弦的振动的扩散,它跟宇宙的能量密度或整体性质有关,这句话不好理解,可以这样理解,只要宇宙的几个常量不变光速是不会改变的,宇宙常量变了,也就没有人类了。


狭义相对性原理:一切匀速直线运动或者静止的坐标系下,物理定律在一切参考系中都具有同样的数学形式,一切物理定律在所有惯性参考系中都是等价(平权)的,没有一个惯性系具有优越地位,不存在绝对静止的参考系。从而否定了牛顿的绝对时空,这个原理是伽利略相对性原理(力学相对性)的一个推广,在一个参考系中建立起来的物理定律,通过适当的坐标变换,可以适用于任何参考系。


相对性原理最初由伽利略提出,当时的适用范围是经典力学。爱因斯坦将其推广到包含力学和电磁学的整个经典物理学范围,凡是对力学方程适用的坐标系同样适用于电动力学和光学里的定律,但并不包括非惯性参考系;


后来更进一步将引力现象也包含进来这就是广义相对论的相对性原理。





相对性原理本身就是一个事实,只是由于人们作为动物先天设定的主观感觉,才一直觉得世界是绝对的,人是动物,为求存,而不是求真,现在我们求真就是为了求存!


请问爱因斯坦是什么学家?大家都会回答物理学家+科学家,不完全对,他更是思想家,因为爱因斯坦用狭义相对论改变了世人的世界观,没过多久他又用广义相对再一次改变了人类的世界观,之后数次改变人类世界观,他开启了爱因斯坦时代。


爱因斯坦为什么要想很久的广义相对论?不仅是我之前说的原因:爱因斯坦的学说出现,它不能完全否证牛顿学说在宏观领域的匹配和正确,它不能完全否证这一点。因此爱因斯坦的相对论在狭义相对论处理完以后,他必须处理广义相论,他必须处理引力和时空弯曲相对理论的匹配关系。他把这个问题处理完相对论才成立。


还有一个原因就是我上期节目论时空观说的:物理学家想搞大统一。爱因斯坦后半生一直在想用一个“更广义”的理论或者叫“更一般”的理论,用几个最基本的原则去统一描述看似完全不同的物理现象。


广义相对论也叫一般相对论,狭义相对论也叫特殊相对论。


爱因斯坦的风格是什么?敢想敢做敢决断,只要相信最初的原则是对的,那不管推导出什么离奇的结果,都得接受,就算当时实验验证不了,将来总有人验证。之前咱们也说了麦克斯韦没有做实验但却预言了电磁波,今日的我们才验证了引力波和黑洞,可见当时爱因斯坦的理论提出是多么超前和难以理解,这也说明了基础理论走的太前了,科学它越来越难以贯通整个广义逻辑。


大家知道,到爱因斯坦时代,科学界已经惊呼,理论物理学是理论的天堂,实验的地狱。而到今天,超弦理论、M理论、多重宇宙理论、平行宇宙理论等等科学上的最大创新,居然全都无法做基础验证,成为飘散在空中的奇谈怪论,它标志着科学越来越虚无缥缈和玄学化,它标志着从学术角度思维的高层失稳态达到极致;科学自从伽利略时代开始后就走向了理论科学+实验科学,这叫“实证科学”,所以理论物理学家很少能等到自己的预言被证实。当然也有波普尔突出的“证伪主义”,关于科学的定义还没有一个确切的。


爱因斯坦也不是一直都对,他认为他犯的“最大的错误”是提出宇宙常数。广义相对论预测宇宙要么在膨胀要么在收缩。在爱因斯坦提出广义相对论的时候,物理学家们都认为宇宙是静态的,为了解决这个矛盾,爱因斯坦在广义相对论的公式里头增加了一个宇宙常数(用希腊字母Λ表示),让宇宙变成静态。在哈勃发现宇宙在膨胀之后,爱因斯坦懊悔不已,因此把宇宙常数当作他犯的“最大的错误”。


在广义相对论的视角下,宇宙无非就是物质和时空,那么宇宙中那么多物质和这个时空的关系是什么?也就是说这么多星球在广阔的时空中,整体上他们会有什么行为,显而易见,根据相对论,取决于宇宙中物质密度的大小,引力场方程解出来的宇宙大尺度时空是有三个解的:


  • 宇宙中物质比较密集,引力场就比较强,整个大尺度上看时空的形状就是蜷缩着的,用数学的语言就是曲率是正的,正曲率就像是球面
  • 宇宙中物质比较疏散,引力场就比较弱,时空的形状就是伸展开的,曲率是负的则像个马鞍
  • 宇宙中物质密度不大不小,时空形状就是在大尺度上平直的,曲率正好等于0

Ω代表密度


在脑海中解一下就发现,如果宇宙的曲率是正的,时空就会不断收缩,如果曲率是负的或者是0,时空就会不断膨胀;总的来说引力场方程给出来的可能性都指向一个结论:宇宙不可能是静态的。


这和当时绝对时空观是违背的,甚至今天还有人认为太阳系和银河系在大尺度上是静止不动的,然后天体绕着太阳公转和自转。更别说当时百年前的人咋理解这个时空观呢?人们觉得可以有生死,任何物质都会死灭,但宇宙怎么可能不是永恒的?


所以爱因斯坦为了解决这个问题就提出了前面咱们说的那个公式中红色希腊字母Λ的“宇宙常数”


Λ的存在只是给这个公式提供一个静态的宇宙解,因为该比例常数很小﹐在银河系尺度范围可忽略不计。只在宇宙尺度下,Λ 才可能有意义,所以广义相对论在任何局部上的计算都还是一样的结果。


但是十几年过去了,天文学家哈勃系统性的观测到远方的星体,发现星体发出的光谱都出现了红移,也就是说:远方的星星都在离我们而去。说明宇宙正在膨胀,宇宙不是静态的。


后来还证明宇宙不仅膨胀还是加速膨胀。详细了解宇宙加速膨胀点击文字听宇宙课堂的节目内容


爱因斯坦后不后悔?后悔!才有了他那句话:宇宙常数是我一生最大的错误。


量子力学和统一理论


他还有一个错误,广义相对论带来宇宙学的革命同时,物理学的另一个地方也出现了不可思议的革命,那就是现在我们熟知的量子力学。


当然你要知道一前提,爱因斯坦是量子力学的开创者,他获得诺贝尔奖的就是光电效应:光不是像水流一样连续流动,而是一小份一小份的“光子”。从此人们第一次知道“量子”这个概念。因为所谓“量子”就是不连续变化的,一小份一小份的东西。


玻尔


著名的物理学家玻尔一开始完全不能接受“量子”这个概念,光怎么能使不连续的流动的呢?确实直观看来是如此,但是后来他成了量子理论坚定的粉丝和发言者,玻尔进一步提出:原子中电子的轨道也是“量子”的状态,电子只能从一个轨道突然跳到另外一个轨道,而不是经过一个所谓的中间地带。就像是光,不是像水流一样,而是一份一份的光子。


爱因斯坦啥态度?他不接受,他无法相信有什么东西能在时空中跳跃,相对论是说时空的尺寸是相对的,是可以随意弯曲的,但是时空本身的存在得需要尊重,如果你说一个东西本来在这里,突然出现在那里,你让时空情何以堪。


但是量子力学不断发展,不断革命,物理学家发现一个现象,双缝实验:一个粒子可以同时穿过两个缝隙,可以即在这里,又在那里——“位置”和“速度”这些最基本的东西都测不准了,不可靠了,因为你无法捕捉到粒子的准确位置更别谈去算速度了,这就是量子力学,后面我们会聊。


爱因斯坦啥态度?还是不接受。量子力学接着再告诉他:世界上的事情都似乎完全随机发生的,物理学再精确,也不可能做出预言,在量子力学的世界里没有确定性,只有概率。爱因斯坦愤怒的说:上帝不会掷骰子。这就是著名的自然决定论和非决定论的争吵


(第五届索尔维会议)↑


索尔维会议你没听过没关系,这张照片你一定见过,当时世界上最厉害的物理学家的大集会。这就是第五次索尔维会议。就在这次会议上,爱因斯坦跟支持量子力学的物理学家展开一次又一次的论战,有时候爱因斯坦白天提出一个思想实验证明量子力学结论不对,量子力学的代表玻尔就想一晚上,第二天指出爱因斯坦理论的漏洞,但是要说明,他们不是在互相攻击,那不是咱们这边的辩论赛。你看看那张照片,爱因斯坦最中间,旁边都是大佬,还不是一般的大佬。


(第一届索尔维会议)↑


(玻尔和爱因斯坦)


(爱因斯坦和索尔维物理学会议主席朗之万)


(爱因斯坦与普朗克)↑


科学是残酷的,物理学的历史最终站在了量子力学的一边,到1930年代,几乎所有的主流物理学家都接受量子力学,并且在搞研究,这情景和他们当初接受广义相对论孤立牛顿学说一样,爱因斯坦....陷入了孤立。


矛盾出在哪里?不是出在狭义相对论,狭义相对论和量子力学统一了,叫量子场论。问题出在广义相对论,他和量子力学的根本矛盾是:广义相对论认为时空是连续的,只要选定了坐标系,位置和速度都是唯一的,都是确定的,广义相对论认为物理定律完全可以计算一切运动。


量子力学全和他唱反调;什么连续的,不是,量子运动是随机的;什么可以计算,不是,只能计算概率;什么位置速度是唯一的,不是,粒子的位置都不确定还测速度呢,速度都测不了还谈什么计算一切运动呢?


爱因斯坦陷入危机中,为什么?因为广义相对论是大尺度的一个理论,量子力学研究的是微观世界,井水目前犯不上河水,其他人都觉得这个矛盾先放着,不着急。爱因斯坦不能坐视不管,他的性格也决定他不可能不管,所以他后半生一直希望继续搞一个大事情!就是得到一个统一理论,像之前相对论告诉世人物理定律都一样的样子,告诉世人宏观和微观其实是一回事。物理发展史就是不断告诉人们最基本的都一样,所谓统一理论。但是可惜,爱因斯坦1955年去世了,他没有再次给人们带来惊喜,他只能说剩下的交给后人。


(自左至右:能斯特、爱因斯坦、普朗克、密立根、劳厄)


所以爱因斯坦的学说不仅在广义相对论和量子力学上有矛盾才使得他面临这样的情景,而是因为:这就是科学,纵观科学史,但凡是科学的东西,最终都被后人证明是“错”了的东西。


这说明什么?说明:人类文明进程就是一个信息增量进程,人类的任何一个思想系统,都是对当时信息增量的整顿。所以人类的任何思想模型都不是真理,我们只是将这些不同信息增量整顿成当前自洽的模型。


牛顿学说的模型是处理他那个时代的信息量,当信息增量继续增加,加上人类对微观世界的探索,牛顿学说崩溃,加上牛顿学说本身存在解释不了的问题,比如:水星进动计算有偏差,比如:牛顿说引力不可能凭空产生,而是有一个像亚里士多德说的“以太”的东西作为介质,这都是无法解释的,后来咱们知道引力都不存在,更不存在“以太”,所以任何一个思想模型和系统,都是对自己当下的理论系统和信息增量做一个整顿。


科学要具备的就是严格的逻辑三洽:自洽;他恰;续恰;也就是说你不仅要能自圆其说,你得和其他的理论体系不矛盾,也就是说你得用你的学说在更精确的层面上去解释他的学说,比如爱因斯坦学说就是牛顿学说的进一步精确化的表达,而不是对立。


老先生的哲学课里说:哲学和科学所说的理论思想模型是非常严格的,它是精确到不允许随便调整的,而且它必须具有普解性,也就是它所对应的所有问题,不能出现任何一例反例。如果出现任意反例,你的学说宣告崩溃,而你不能用调整自己学说的方式,处理对象失洽关系的问题,不能用这种方式。所以我们动不动就调整自己的理论模型,然后说它放之四海而皆准。这种做法是非常荒唐的。


所以哲科思想模型是非常严格的,到科学精确阶段它更为严格,这就是科学的可爱之处,它要经过严格的检验,严格的不断地批判和冲击。那么当信息量增大的时候,原有的模型继续保持精确格局,而且要能够容纳这个信息量,这个模型才会表达为继续适当或继续正确,否则它立即崩溃,这叫续洽,所谓“续洽”:就是对新出现的信息增量,你原有的逻辑模型要能够容纳。


比如我前面讲牛顿的学说,它在宏观领域用引力解释所有问题有效,可它无法处理19世纪以后出现的微观世界运动这个新的信息量和新现象,它完全无法处理。于是牛顿学说在微观世界退为背景,失效,因为在宏观世界我们人类处于低速度时空,所以仍然够用,我们继续学习继续使用。


(普朗克:学物理前→学物理中→学物理后)


爱因斯坦去世之后粒子物理学突飞猛进的发展,1970年代,物理学家把电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用给统一起来了,四大自然力的前三个都统一了,只剩下引力没有统一。爱因斯坦去世后也无从得知后来的微观世界得出的这些实验结果,他的时代由于实验器材等限制,他说过引力波那么微弱能否被人类检测到,甚至怀疑过引力波是否真正存在。


他这个人不像是牛顿那样的学阀,老大哥式的人物,他很谦虚,1933年定居美国,担任普林斯顿高等研究院的教授,脱离了物理学研究的主流,把立功的机会都让给了别人,其实他要是继续研究,现在很多的成果都得是他的名字署名了,他干嘛去了?坚持去完成那个不可能完成的大统一任务。


晚年的他其实很孤独,常常一个人,因为大家都相信宇宙不是精确的产物,而是不确定下的一个偶然结果,其他人也不愿意和他聊天,毕竟科学家聊不到一起,总不能谈一些浪费时间的话题吧,倒是有一位和他聊的不错,也是同时,他俩一起上下班成了爱因斯坦的忘年交,名字是哥德尔,就是那个哥德尔不完备性定理的哥德尔,是个挺著名的一个人,他是为数不多的鄙视量子力学的人,所以和爱因斯坦聊的还挺好。


(爱因斯坦的忘年交:哥德尔)


爱因斯坦的性格是哪种大家也都看到了,谦虚的这么一个人,不争不抢,但是他对大自然充满了野心,他试图一个人找到大统一理论,最终发现终极真理。


爱因斯坦说过:上帝是不可捉摸的,但并无恶意。


(爱因斯坦与卓别林)


七十六岁的那年,他因为腹主动脉瘤破裂引起了内出血,本来不是啥大事情,做个手术就ok,但是爱因斯坦拒绝了,他说:当我想要离去的时候请让我离去,一味的延长寿命是毫无意义的,我已经完成了我该做的,现在是该离去的时候了,我要优雅的离去。今天的我们不知道这事情是真假,因为伟人的故事总有后人去层累和杜撰。但是我们可以想象他那样的人在生命的最后一刻,表现出的是无奈。(后续音频内容无文字)


人类是挺厉害,但大自然更厉害,人类一步步证明自己厉害的同时也在证明自己的存在是多么渺小。