(电影《地心引力》剧照)
第一期:从数星星到人类大逼格——物理学那点事
前言:
爱因斯坦:“引力是时空弯曲的表现……”
停!我咋没看见。
爱因斯坦:“那是你太渺小,就像你站在地球上意识不到地球是圆的。”
滚滚滚自己玩去。
爱因斯坦:“……”
冤大头卡文迪许
上回说到牛顿给大家扔下个难题就去研究上帝了,卡文迪许这个冤大头历尽艰辛才解决了问题。那么他是怎么测出那个小数点后面几乎都是零的量呢?思路也挺简单。
测俩东西间的引力,就找俩东西呗。他找了几个铅球。为了减少阻力,他拿绳挂了起来。然后拿另一个铅球接近它,看看铅球动了多少。
扯淡,这能看出动了?美女,我往你身上靠靠,有没有感觉到被我吸引动了呢……鬼才信!
别急!卡文迪许用眼睛也看不到,为了能看到就得放大。拿什么放大?放大镜?能想到这个已经差不多了。答案其实就是这么简单,用光放大。放大镜就是用光放大,卡文迪许也想不到什么别的。于是卡文迪许设计了所谓光杠杆法来观察铅球动没动。球动一点点,光线摆动一点点,但是光线可以很长啊,于是光线的投影就动了一大块。具体的做法网上都有,不再赘述。这下一放大可好,不仅清晰明显,还能测量数值了呢!
早期的卡文迪许实验室
看到有冤大头实验物理学家测量出了数值,全世界的理论物理学家和天文学家们都行动起来了。他们开始夜以继日的计算,发现天上那些星星的运行方式和牛顿说的几乎都一模一样!
除了天王星。天王星周期性乱晃,这让科学家们有点蒙逼。突然有人说,那是有一颗看不到的星星在拽他!于是人们便算出了海王星。海王星太暗所以人们本来是注意不到的,算出在哪后人们往那地方找自然就好找多了。后来发现水星也不对劲!于是又算出了火神星。随着不久人们真的找到了海王星,牛顿又牛逼了。死了一百多年还能时不时出来牛逼一把,搞科学真是装逼最佳途径(严肃地说,这就是追寻真理的力量。但是当今科学界人士大多承认科学界无真理,具体的后面会介绍)。接着大家就开始找火神星,可是找了好久也找不到。再找不到可糟了,不仅牛顿要完,整个物理学界都要完,逼装大了就是不好,没准物理学家们装的逼都将变成巴掌打脸上。幸好,如同很多人都知道的,爱因斯坦提出广义相对论,把问题解决了。
广义相对论是怎么提出来的呢?是爱因斯坦为了解决水星问题套数据套出来的么?这回不是,而是爱因斯坦在两耳不闻窗外事一心只是瞎寻思时自己捉摸出来的,恰好后来听说水星的轨道不对劲,于是照着自己的理论一算,正好解决了。为此大家都觉得爱因斯坦牛逼。
科学无真理
爱因斯坦是怎么想出来的呢?广义相对论到底是啥,除了算星星还有啥用,能吃么?
广义相对论的一个基本思想是,一个星球绕着另一个星球转,其实不是转,就是走直线。它明明在转咋就成直线了?爱因斯坦说是空间弯了。也就是说引力根本不存在,就是一个星球把空间压弯了,另一个星球在弯弯的空间里走直线,作为傻逼的我们看起来就是在转圈。
你真牛逼,你说空间是弯的就是弯的,我咋看不见?
“因为你太渺小,就像你站在地面上意识不到地球是圆的。”
地球是圆的上天就能看见,你说空间是弯的怎么看?搞物理的净扯淡,广义相对论错了!
这是当今好多民间科学家的说法。他们认为相对论是错误的。这是一种勇于质疑和善于思考的好精神,可是这句话本身就有问题。
这涉及到了对物理的理解问题。物理学讲的东西不见得一定要追究其存在与否,或者说我们要改变对于“存在”二字含义的理解。物理理论只要能高效并比较精准地解释现象即可。如果这东西使得一切现象都能解释,那么我们就当这东西存在。即使它不存在,其实是什么怪物摆出了它存在的样子给咱们看,可是咱们看不到那怪物,就只能当怪物伪造出来的这东西存在。事实是,广义相对论能够解释科学家观测得到的许多现象,所以在一定范围内它就是正确的。因此你不能说广义相对论是错的,只能说:我知道一种情况,广义相对论解释不了。或者说:我有一种比广义相对论更简洁或描述得更精准的理论,甚至能够把广义相对论包进去。
这是真正的严谨态度。如果懂了这些依然要叫喊“广义相对论错了”,那一定是在给自己炒作。
这道理也适用于所有其它理论。所以科学界已经普遍承认,科学无真理,只有可以描述一定范围内现象的好方法。
即使上面的话大家基本认同,估计还是不太明白空间咋就弯了。
爱因斯坦
如果弯的空间能够很容易解释一切,我们就相信它。也许哪一天空间不存在了能更容易地解释一切,我们就去相信那个。要知道,我们仅仅用万有引力定律,然后在公式中加入各种复杂的参数在数学上也可以拟合出广义相对论的效果,也可以解释水星的问题,但是无法解释这样加进去的参数的物理含义,并且计算起来的难度有些时候会超过人类的计算能力。换句话说,有一万种方法可以得到正确答案,可是九千九百九十九种按一辈子计算器也按不完,并且就算能按完你也说不通为什么是这样,那么那些答案就不是好答案。和目前所有理论比,爱因斯坦的理论简洁明了,先不论你理解与否,用他的这一套算,你可以在有限时间内得到答案,这就是好方法。再加上空间弯曲能够巧妙地解释这套方法中引入的那些稀奇想法,同时本着空间弯曲的思维能够预言很多可以被观测证明的新现象,这就使得这套理论有资格成为实用且优美和谐的理论。自从广义相对论出来后,天文学家们在解决问题时大范围抛弃了万有引力定律,在一些牛顿引力能解决的问题上也是如此,因为广义相对论算起来更清楚且优美。
广义相对论让天文学从抽象的代数时代走进了几何时代。这点我后面在讲数学和物理的联系时还会再介绍。
黑洞又来了
接着我们就可以来看一个大家都十分熟悉的名词:黑洞。
这又是一个用数学式子算出来的东西。根据广义相对论,人们算出来要是一个东西太沉了把空间压得它亲娘都不认识,这个空间就连光也逃不出来(注一)。这下可好,科学家找到了个老吓人的东西,并且我们还看不见它!看不见是不是就像前文说的在背后操纵理论的怪物一样,可以当作不存在呢?不是,我们可以用其它方法间接地看到黑洞,所以我们肯定黑洞就在那里,我们要研究它,不能视而不见。前文说的怪物是我们把吃奶的力气都使出来也看不见的东西,这才可以当作不存在。可怪物要是能看见我们呢?只要它不让我们察觉,它看不看我们对我们来说毫无意义。当然,如果你哪天想出办法看到了那怪物,就可以得诺贝尔奖了。
那么黑洞有什么好研究的呢?除了满足大家的好奇心外,其它重要的研究目的就必须进行一些解释才能让大家明白。解决熵的问题是一个十分重要的目的。熵是什么大家不用管,只要知道这玩意儿没人管的话就会自己变大。那这玩意儿有啥用?它总是自己变大的性质使得我们没法做到下面这个事情:
把空气啊海洋什么的温度降低,用多出来的能量发电。
WOW,这要是能做到不就牛逼了,科学家还研究个屁黑洞啊,都给我研究这个来!
(黑洞幻想图。图片来自网络)
可惜科学家已经根据熵这东西总是自己变大的原理证明了这不可能。那么这个原理怎么就这么烦人?能不能打破它?这时候黑洞的作用显现出来了。科学家发现东西进了黑洞后,熵就没法算了,换句话说,没准这时候熵就不自己变大了,定律就可以打破了,然后我们就可以模拟这个条件从空气海洋里抽能量发电了!这看起来不错,老百姓都会很高兴。可是这个定律一旦打破,科学家多年来弄出来的无数理论就会动摇,到时候就和当年水星一样,一旦解决不了,装的逼就又变成巴掌打脸上了。
结语
好在有个东西叫做“圈量子理论”,发明这理论的“讨厌”科学家把黑洞的熵算出来了。等等,圈量子理论?啥叫圈,啥叫量子?又糊涂了。不用急,这个基于量子理论发展起来的理论暂时没被广泛认同,这方面研究还可以有进展。但是量子理论也就是电影里常见的“量子力学”则是一门成熟完备的理论。至于量子力学到底是什么玩意儿,除了在电影里唬人还有别的用处么?我将在下一集开始为大家介绍。
下一集开始我首先将给大家谈谈光的本质是什么,因为科学家正是沿着对光本质的探(zhuang)索(bi)之路走到了量子理论的。
注一:高中生用万有引力定律也可以算出黑洞的临界质量,虽然这样算是错的,但是神奇的是,得数和用广义相对论算的一样。
作者:神渔夫
南大天文系学生
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