2005國際物理年：愛因斯坦、相對論和黑洞

央視國際 (2005年03月02日 10:42)

　　銀河系外，3億個太陽被吞了？不是聳人聽聞。2005年的開端，《自然》雜誌報道，科學家宣稱，在距離地球26億光年處，有一個超級黑洞存在，它吞噬了相當於3億個太陽質量的星體，釋放出的電磁能量，為人類觀測史上最大。

　　這是神秘黑洞送給“愛因斯坦年”的盛大禮物？沒有這位天才物理學家的廣義相對論，人類或許至今都無法認知這種奇異天體的存在。

　　今年是相對論發表100週年，聯合國為此發起了“物理照耀世界”的倡議。1月19日，德國政府率先在柏林宣佈啟動“愛因斯坦年”慶祝活動，拉開了全世界紀念活動的序幕。

　　此刻，讓我們從黑洞開始，走近愛因斯坦，走近無盡的相對論。

　　這個黑洞有多大？

　　一個已經吞噬了3億個“太陽”的黑洞要有多大？還在繼續吞噬星體的它，會不會把整個宇宙都吞了？或者，它是通向另一個宇宙的一條通道？

　　對這個超級黑洞進行研究的美國科學家麥克那馬拉説：預計這個黑洞的質量約等於10億個太陽，但直觀的體積，我很難描述。因為只有光線反射我們才能看得到物體，但黑洞的引力實在太大，連光都跑不出去。

　　既然看不見，我們又是如何得知它的存在？上海天文臺的曹新伍研究員告訴記者，錢德拉望遠鏡觀測到的，並非黑洞本身，而是面積很大的熱氣體輻射的X射線。據科學家分析，這可能是由星系團中央一個黑洞噴流所産生。

　　難道説，黑洞的存在只是個推測？的確，到目前為止，黑洞仍然只是物理學家構建出的一個理論模型，暫且無任何直接證據。它的“誕生”，可以追溯到1916年。那年，德國物理學家卡爾史瓦西根據廣義相對論的引力場方程計算，假如一個天體的質量與太陽相同，而半徑不到3公里時，即太陽半徑的23萬分之一時，引力的強烈擠壓，會使那個天體産生災難性的坍塌，使那裏的時空變得無限彎曲，它的引力十分巨大，連光都不能逃逸。

　　打個比方，如果説宇宙是張大網，黑洞就是網上一個又一個的洞，而且，那些接近它的任何東西，比如星體、飛船，都會如魚一樣不停地從這個網洞裏漏出去。

　　隨著觀測手段的進步，越來越多的證據令科學家堅信，黑洞是真實存在的。1971年，愛因斯坦去世後將近20年，美國物理學家慧勒正式提出了“黑洞”這個名詞。1999年，耗資15億美元的錢德拉X光太空望遠鏡由飛船運至地球軌道內，至今它已“間接觀測”到了上百個黑洞，包括銀河系中心也存在著的幾千萬倍太陽質量的超級黑洞。目前已知最近的一個，離太陽不過3光年。

　　但即使是銀河系真的有這樣的黑洞存在，我們也不必過於擔心。曹新伍研究員告訴記者，它的生長速度非常緩慢，恐怕沒個幾億年，是吞不了地球的。

　　黑洞通向何方？是過去、未來還是另外一個宇宙？曹新伍説，目前這些問題恐怕只能是科幻小説探討的主題。還是暫且相信物理學家霍金的話吧，黑洞是“有去無歸的國度”。如果你跳進一個黑洞，會立刻被撕得粉碎。“也許構成你的粒子，會跑到了另一個宇宙。”

　　一生中最愚蠢的錯誤

　　這事聽起來有點不可思議。相對論預言恒星可以塌縮成黑洞，但相對論的創造者愛因斯坦卻始終拒絕接受，他反對説：物質不可能如此緊致。同樣，愛因斯坦曾經也不接受用相對論方程推導出來的宇宙膨脹模型。

　　這兩項推導其實都意味著，我們的宇宙並不穩定。在愛因斯坦之前，人類以為我們的宇宙永遠都是穩定不變的。因此，對自己方程導出的不穩定宇宙，愛因斯坦也很擔憂，他甚至試圖在自己的方程上加一項常數，以確保宇宙的穩定。直到1929年，天文學家哈勃的觀測證實，星系的確在離我們而去，宇宙就是在膨脹著。愛因斯坦後來承認，“宇宙項”是他一生中最愚蠢的錯誤。

　　或許這就是相對論，即使是它的創造者愛因斯坦也無法理解全部。物理史上有個笑話，愛因斯坦發佈廣義相對論不久的一次宴會上，前去採訪的記者與英國物理學家愛丁頓爵士開玩笑：“聽説世界上只有3個人懂廣義相對論。”愛丁頓良久未答，記者問他在想什麼，他答：“我在想那第三個人是誰。”

　　愛丁頓有理由認為，自己是除愛因斯坦以外唯一懂得廣義相對論的人。是他首次“證明”了廣義相對論。1919年5月，愛丁頓派了兩支遠征隊跑到巴西拍攝日蝕。他想拍的，是太陽旁邊那顆平時被日光遮住了的星星。按廣義相對論所述，質量會引起時空彎曲，星光在太陽這樣質量很大的物體附近，彎曲會比較明顯。由此我們看到的星星，其實不在它真實的位置上，而是有些偏離，就好像我們看水中的筷子一樣。當年11月愛丁頓公佈了觀察結果，星星確實偏了，而且角度與愛因斯坦計算出來的幾乎一樣。第二天，廣義相對論差不多成了全世界報紙的頭條。

　　不過，愛因斯坦成為科學英雄時，嚴謹的科學家們卻不大相信愛丁頓並不嚴密的觀測。1920年華盛頓舉行的一次天文學會議上，組織者拒絕相對論作為一個可能的話題，還説：“希望科學的進步會把相對論送到第四維空間之外的某個地方，從此它永遠不會回來折磨我們了。”1921年，愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎，但那是由於他提出了光量子理論。

　　1922年、1929年、1936年、1947年、1952年、1973年……幾乎每一次日食都成為科學家驗證相對論的機會。1991年，世界多家天文臺協同觀測，以萬分之一的精度證實了廣義相對論對光線彎曲的預言。只不過這時觀測的不再是看得見的光線，而是看不見的無線電波。

　　光線彎曲，這是廣義相對論的三大經典驗證之一。別有意味的是，愛因斯坦對這類驗證從來不以為然。傳説愛因斯坦曾告訴學生，假如他對光線彎曲的預言被證明是錯的，“我會為親愛的上帝覺得難過，畢竟我的理論是正確的。”

　　交大科學史係副教授紐衛星認為，像相對論這樣以高深的數學知識構建起來的理論模型，“正確”性很大程度上由內在邏輯的簡單性和統一性所保證，而不必等到其預言被驗證才能説明它是科學。這也正是愛因斯坦的確信：經驗是物理效用的惟一判據，但是創造的原理卻存在於數學之中，或者説，存在於人的純粹思維中。

　　“宇宙中最不可理解之處的就是宇宙可以理解。”與其説這是愛因斯坦對和諧宇宙的信仰，不如説是他對人類純粹理性的信仰。

　　尋找第二個愛因斯坦

　　愛因斯坦對世界的影響到底如何？英國廣播公司曾經做過一個“千年思想家”評選，從第一位到第四位分別是：馬克思、愛因斯坦、牛頓和達爾文。

　　上世紀一位法國物理學家這樣評價愛因斯坦：“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位於最前列。他現在是、將來也還是人類宇宙中最有光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因為他對於科學的貢獻，更加深入地進入了人類思想基本要領的結構中。”

　　紐衛星説，“愛因斯坦首先把人類對宇宙的理解從哲學的一個思辨性話題變成了一道物理學甚至數學的習題。”確實，只要一想到這樣的事實：宇宙的命運就是愛因斯坦方程的一個解，相信大部分人都會把科學史“第一”的帽子送給愛因斯坦。

　　清華大學人文社會科學學院科學技術與社會研究所教授劉兵則認為，牛頓有一句名言，“我站在巨人的肩膀上。”從亞裏士多德到愛因斯坦，很難去判斷哪個科學家是老大。雖然相對論迄今為止與我們觀測的宏觀系統完全相符，它的邏輯結構也完美地幾乎可以媲美于歐幾裏得幾何，但是它並非沒有缺陷，它與現代物理的另一大基石量子論的不一致至今沒有解決，要不就是其中一個錯了，要不就是存在著一個大一統理論。這些問題的解決，某種程度上期盼著另一個偉大的頭腦。

　　科學不會止于愛因斯坦。“尋找第二個愛因斯坦”，正是今年“國際物理年”的最大主題。1998年諾貝爾物理獎得主萊德曼堅信，在全球60億人口中，一定有一顆年輕的、與愛因斯坦同樣智慧的心等待被發掘。

　　我們也期待著另外一個“奇跡年”———100年前的1905年，名不見經傳的愛因斯坦一口氣完成了5篇論文，涉及布朗運動、量子論和狹義相對論這三個方面，任何一個都足以贏得諾貝爾獎。尤其是創立相對論的《論動體的電動力學》和《物體的慣性同它所含的能量有關嗎》，根本改變了物理學的面貌。

　　1922年11月13日，愛因斯坦走上人類榮譽之巔，獲得了諾貝爾物理獎。也許他多少會感念上海，因為也就在這天，他第一次踏上了上海的岸堤。雖然《申報》只發了一條不到100字的短訊，但是當愛因斯坦走進南京路時，一些青年認出了他，一擁而上地把他抬了起來。今年4月，中國也將參加國際物理學界發起的“物理照耀世界”光傳遞活動，而上海，被初定為中國之行的始發站。中國物理學會發出呼籲，讓我們去尋覓，共同努力創造物理學光輝的未來！

　　這是值得每一個熱愛科學的人去回味的一段講演，1918年4月，愛因斯坦在量子力學家普朗克六十歲生日慶祝會上説，探索的動機來自於人們對自己反復無常的慾望桎梏的擺脫，但是更來自於對先天和諧的渴望與激情。

　　1955年4月，愛因斯坦的生命到了盡頭。18日淩晨1時15分，愛因斯坦停止了呼吸。當天下午，12位愛因斯坦最親近的人聚集在一起，與他告別。其中一人吟誦了歌德的詩句———

　　我們全都因他受益，他的教誨惠及全球，那專屬他個人的東西，早已傳遍人間，他如將隕的彗星，光華四射……

　　（記者 尤莼潔）

責編：戴昕 　來源：解放日報