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        “預(yù)言家”,請睜眼

        2022-11-26 02:41:42孫正凡天體物理學(xué)博士科普作家
        中學(xué)生天地(B版) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:預(yù)言家玻爾引力波

        文 /孫正凡(天體物理學(xué)博士、科普作家)

        科學(xué)并非恒定的真理。一個(gè)科學(xué)理論的成立,不但要求其能夠解釋(兼容)過去觀察到的自然現(xiàn)象,還必須給出科學(xué)預(yù)言,以便后人驗(yàn)證理論的真?zhèn)巍?/p>

        比如牛頓物理學(xué)的一次重大驗(yàn)證,是哈雷彗星的回歸。在中國古代天文學(xué)記錄中,春秋時(shí)期以來的29次哈雷彗星回歸都有記錄,但是沒有人能辨認(rèn)出它們屬于同一顆彗星。直到英國天文學(xué)家哈雷借助牛頓力學(xué)定律,計(jì)算了各大行星對彗星軌道的影響,才辨認(rèn)出這顆彗星,預(yù)言了它下次回歸的時(shí)間,并取得了成功,牛頓力學(xué)定律因此得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

        作為一個(gè)善于思考、愛開“腦洞”的物理學(xué)家,愛因斯坦深刻地總結(jié)了科學(xué)理論的規(guī)律,在百年前他便預(yù)言激光、時(shí)空彎曲、量子糾纏、引力波……隨著科學(xué)的發(fā)展,這些預(yù)言有的已經(jīng)證實(shí),有的仍待驗(yàn)證。

        左圖為1919年11月9日《紐約時(shí)報(bào)》頭條新聞的標(biāo)題,右圖為1919年11月22日《倫敦新聞畫報(bào)》的整版報(bào)道

        太陽附近星光偏折,使愛因斯坦成為新偶像

        愛因斯坦于1916年發(fā)表了廣義相對論,他認(rèn)為由于大質(zhì)量天體的存在,空間不是平直的,而是彎曲的。他預(yù)言經(jīng)過太陽附近的星光路徑會被彎曲,從而看上去位置有所移動。按照牛頓的理論,光線經(jīng)過太陽邊緣時(shí),彎曲角度約為0.87角秒(1角秒是1度的1/3600),而廣義相對論給出的結(jié)果則是1.75角秒,比牛頓理論的預(yù)言要大1倍。

        英國物理學(xué)家愛丁頓敏銳地認(rèn)識到,在發(fā)生日全食的時(shí)候,太陽光完全被遮擋,觀測太陽附近的星光偏折就可以用來檢驗(yàn)愛因斯坦的預(yù)言。1919年5月29日的日全食符合進(jìn)行這個(gè)檢驗(yàn)的理想條件,不僅日全食時(shí)間持續(xù)長達(dá)6分鐘,而且此時(shí)太陽正好位于七姐妹星團(tuán)前面,這個(gè)星團(tuán)的恒星相當(dāng)明亮。

        在“一戰(zhàn)”結(jié)束之后,1919年,英國派出了兩支探險(xiǎn)隊(duì),分別前往巴西和非洲幾內(nèi)亞灣觀測了這次日全食,最終在11月6日給出了偏離1.64角秒的結(jié)果,證實(shí)了廣義相對論的正確性。

        1919年11月7日,英國《泰晤士報(bào)》在頭版頭條報(bào)道了這個(gè)消息,標(biāo)題是《科學(xué)革命:宇宙新理論!牛頓思想被推翻!》,不修邊幅的愛因斯坦教授立刻成為媒體爭相報(bào)道的對象,變成了家喻戶曉的科學(xué)明星。

        100年后,找到了引力波

        在廣義相對論中,時(shí)間和空間既是舞臺,也是演員。早在1916年6月,愛因斯坦在一篇論文中提出了引力波的存在。所謂引力波,可以視為時(shí)空結(jié)構(gòu)上的擾動,這個(gè)擾動表現(xiàn)為以光速傳播的波。也就是說,在廣義相對論中,連時(shí)空舞臺也不甘寂寞,會直接發(fā)生變化。

        天文學(xué)家發(fā)現(xiàn),要產(chǎn)生可以探測的引力波,需要致密天體做非中心對稱運(yùn)動,比如黑洞、中子星之類天體進(jìn)行碰撞。1974年,美國兩位天文學(xué)家胡爾斯和泰勒發(fā)現(xiàn)脈沖雙星PSR1913+16(兩顆相互繞轉(zhuǎn)的中子星),他們進(jìn)行了長達(dá)20年的觀測,發(fā)現(xiàn)雙星繞轉(zhuǎn)能量的損失符合引力波的特征,這也是人類第一次得到引力波存在的間接性證據(jù)。

        2017年8月17日,激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測到了一次引力波事件,幾小時(shí)后歐洲南方天文臺(ESO)在茫茫太空中找到了引力波來源,這是1.3億光年外兩顆中子星碰撞合并而發(fā)生的大爆炸,爆炸激蕩起了時(shí)空漣漪,這是人類第一次親眼“看見”引力波事件,包括我國在內(nèi)的多國科學(xué)團(tuán)隊(duì)為這一歷史性時(shí)刻做出了貢獻(xiàn)。下圖為ESO根據(jù)觀測資料制作的模擬圖。左圖為哈勃望遠(yuǎn)鏡捕捉到的該中子星碰撞后由明亮逐漸暗淡的過程。圖/ES O

        尋找引力波的征程,從1960年就開始了,但科學(xué)家們在50多年里屢戰(zhàn)屢敗,直到2015年9月14日,激光干涉引力波天文臺(LIGO)合作組才探測到了第一個(gè)引力波信號。LIGO實(shí)驗(yàn)室采用了長達(dá)4公里的激光干涉儀(別忘了,激光也是愛因斯坦的科學(xué)預(yù)言),2臺同樣的設(shè)備距離3002公里,成功揭示了為什么引力波如此難以探測。引力波源是2個(gè)黑洞,質(zhì)量分別約為太陽質(zhì)量的29和36倍,合并之后形成了質(zhì)量約為太陽質(zhì)量62倍的黑洞。它們在不到1秒的時(shí)間里釋放了相當(dāng)于3倍太陽質(zhì)量的能量。但經(jīng)過10億光年之后,到達(dá)地球的引力波振幅僅僅只有10-21。也就是說,在LIGO中相距4公里的鏡子,其相對距離只是變化了4×10-18米左右,是原子核尺度的1/1000。

        引力波的發(fā)現(xiàn),為我們探測宇宙打開了新的窗口,尤其是在探測黑洞、極早期宇宙方面,這可能是唯一的手段。

        量子糾纏,愛因斯坦推導(dǎo)出的“錯(cuò)誤”

        量子力學(xué)提供了許多反常識的認(rèn)識,丹麥物理學(xué)家玻爾建立的哥本哈根學(xué)派,將量子行為解釋為隨機(jī)性,比如電子在原子核周圍的分布是不確定的,它可能存在于任何地方。愛因斯坦對量子力學(xué)的建立做出了奠基性的貢獻(xiàn),光子、波粒二象性等概念都是他提出來的。但是他不能接受隨機(jī)性的解釋,用他的話說,“上帝是不擲骰子的”。為了反駁玻爾的解釋,愛因斯坦采用了“推謬法”,即假設(shè)對方是正確的,推導(dǎo)出一個(gè)荒謬的結(jié)論,從而證明對方是錯(cuò)誤的。這個(gè)結(jié)論就是“量子糾纏”。

        愛因斯坦認(rèn)為,如果量子力學(xué)是對的話,那么當(dāng)我們能夠把兩個(gè)粒子分開,分得非常遠(yuǎn)時(shí),改變一個(gè)粒子的狀態(tài),另一個(gè)也必須立即發(fā)生相應(yīng)的改變。但是,由于光速是最快的,任何光子想在兩個(gè)粒子之間傳遞信息都需要很長時(shí)間。同時(shí)性和傳遞信息所需的時(shí)間,是一對悖論,這是不可能同時(shí)成立的,所以玻爾錯(cuò)了。有意思的是,玻爾經(jīng)過思考,認(rèn)為愛因斯坦的推導(dǎo)沒有任何問題,唯一的問題是,這個(gè)同時(shí)性確實(shí)不需要時(shí)間。也就是說,愛因斯坦推出的“量子糾纏”現(xiàn)象,應(yīng)該是真實(shí)存在的。

        從20世紀(jì)60年代開始,科學(xué)家們逐漸找到方法來實(shí)現(xiàn)糾纏態(tài)的粒子對。在20世紀(jì)與21世紀(jì)之交,基于量子糾纏思想的實(shí)驗(yàn),已經(jīng)發(fā)展成了量子保密通信等新興技術(shù)。玻爾、愛因斯坦等人于100年前在紙面上的爭論,正發(fā)展成關(guān)乎世界未來的事業(yè)。

        我國著名物理學(xué)家、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士與“墨子號”量子衛(wèi)星模型合影 圖/人民視覺

        愛因斯坦曾在他的科普名著《物理學(xué)的進(jìn)化》中,將科學(xué)比作一個(gè)沒有寫完的偵探故事,在我們偵察自然界秘密的過程中,通過直接觀察得到的直覺結(jié)論未必是可靠的,有時(shí)也會導(dǎo)致錯(cuò)誤的方向。

        運(yùn)用科學(xué)規(guī)律和數(shù)學(xué)語言,科學(xué)家能夠預(yù)言人們從未見過甚至從未發(fā)生過的事情。這種預(yù)見,可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前于科學(xué)家自身所處的時(shí)代。牛頓曾說,我們要“站在巨人的肩膀上”。在科學(xué)領(lǐng)域,人們也不承認(rèn)任何人具有不可置疑的權(quán)威。我們在驗(yàn)證愛因斯坦的預(yù)言的時(shí)候,實(shí)際上也是在檢驗(yàn)他的理論究竟對不對。借助這樣的科學(xué)精神,我們才能不斷前進(jìn)、創(chuàng)新,錨定美好未來。

        2017年,潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號”量子衛(wèi)星在世界上首先實(shí)現(xiàn)了千公里級的量子糾纏分發(fā),國際權(quán)威期刊《科學(xué)》以封面論文的形式刊發(fā)了這一成果

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