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爱因斯坦证明了“幽灵之星”并不存在,整个物理学界为之轰动

2020-01-17 02:50 北京晚报 TF021

1915年的柏林,正值第一次世界大战。战火纷飞中,爱因斯坦进行着最后的冲刺。11月11日到18日的某一天——我们并不知道确切的时间——爱因斯坦输入了水星的轨道参数和水星与太阳的最小距离,将光速带入方程。当他完成了最后一步计算时,一个数字出现了。

作者:胡月


他凝视着结果。“很久以后,爱因斯坦试图再次描述他第一次得到这个重大发现时的感受,但他做不到了。后来他告诉他的朋友:那是心脏真正在胸腔里战栗的时候——真正的心悸。”《追捕祝融星》中是这样写的:“通常,爱因斯坦是一个相当冷静的人,但在这一件事上,他极为激动。他告诉朋友,他整个人仿佛被击中了,感到心跳加速,好像有什么东西从身体里迸发出来。”

这个计算结果表明,一直以来天文学家们追逐的那颗在水星旁边的、被称为“幽灵之星”的“祝融星”并不存在。11月18日,爱因斯坦在普鲁士科学院发表演讲,用尽量不带感情的语气公布了这一结果,整个物理学界为之轰动。“摧毁”一颗行星,不是爱因斯坦欣喜若狂的全部理由。这位年轻物理学家这些一直不被认可、看上去离经叛道的理论是正确的(我们现在称其为广义相对论),这意味着几百年来牛顿所建立的经典力学大厦和整个牛顿物理体系轰然崩塌,现代物理学的大门被打开。

18世纪的伟大法国数学家拉格朗日曾说:牛顿是有史以来最伟大的天才,也是最幸运的一个,因为我们无法再为世界找到别的体系了。有人说,世界上只有一个宇宙,它被牛顿发现了。爱因斯坦用摧毁一颗星的方式告诉我们,世界上不止有一个宇宙。一个全新的时代到来。为什么一颗星星有这么大的威力?

作者托马斯·利文森是美国麻省理工学院研究生科学写作项目的教授和主任,此前他还著有《牛顿与伪币制造者:科学巨匠鲜为人知的侦探生涯》《爱因斯坦在柏林》等书。在这本《追捕祝融星》中,我们再次看到了他侦探般的探究历史的能力与将科学讲述为动魄惊心故事的叙述能力,他巧妙地吸引读者去探索科学家是如何思考和争论的,以及科学是如何发展的。

一颗“行星”,数百位科学家,几百年探索。就像华盛顿邮报的书评中所写,“这本来是一个关于科学如何发展的故事,但在托马斯·利文森浪漫的笔触下,它几乎成了小说。”尼尔·德格拉斯·泰森看来,读过这本书后,被遗忘的祝融星的故事再也不会不为人知了,因为作者告诉了我们它来自哪里,如何消失,以及为什么它的神韵在今天仍暗藏其间。

爱因斯坦摧毁“祝融星”到现在105年了,这颗曾经存在过的著名星星逐渐被遗忘,成了科学发展史一个令人津津乐道的段子。但当时,这个名字几乎是整个物理学界的困扰。

时间回到1684年,牛顿和他的好友哈雷(就是哈雷彗星的发现者)开始尝试用一套简洁明确的数学理论来概括宇宙间大到月球小到苹果任何物体的基本运动规律——万有引力定律。在牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》序言中哈雷写道:我们洞悉了牢不可破的世界秩序。这个引力是什么?它是如何“隔空”作用在我们身上的?牛顿不但没有给出明确的答案,直到他死去都讳莫如深。

1781年,天王星通过观测被发现,太阳系的前七颗行星,全部是通过仰望天空寻找到的。这七颗星中,水星和天王星是“捣蛋鬼”。1845年的一次水星凌日中,法国科学家勒威耶通过牛顿的公式计算出的水星穿过太阳的时间,与观测中实际的时间相差了16秒。无法解释。

天王星在被发现的几十年间也是如此,它的运动轨迹总与计算中的结果有那么一点点的差距。有两种可能,一是牛顿错了,二是有什么未知的东西影响了它的运动轨迹。

不愿意相信牛顿错了的勒威耶开始了一个大胆的设想:是否存在另外一颗行星,在天王星外面?太阳系是否不止七颗行星?当时的天文望远镜还不足以能够寻找的那颗星星,这颗未知的星星一切都是未知的,模型中有13个未知量。于是勒威耶开始了艰难的计算,一个一个解,最后他算出,这颗星距离太阳36个天文单位,质量是地球的36倍,直径是3.3角秒,位于摩羯座一颗很亮的恒星东侧约5度的地方。天文学家用最精确的天文望远镜找到了它,它从来没有被发现过,它的所有数据都和计算的几乎一样。

这是第一颗还没有被看到就已经被计算出来的星星,被取名为海王星。海王星的发现是牛顿理论的又一次胜利,没人再对牛顿的万有引力敢有任何怀疑。接下来的推论顺理成章:勒威耶进行了计算,于1859年提出假设:水星轨道内尚有一颗未被人们发现的行星。只是因为距离太阳太近,太阳的巨大光芒遮住了它,我们很难观测到。勒威耶以罗马神话中火神的名字(Vulcan)为之命名(中文译名“祝融星”)。

此后,全世界的科学家和天文爱好者们开始了寻找这颗“幽灵之星”的旅程。在二十多年的时间里,不知道有多少在刺眼灼目的太阳光中,冒着视力受损的危险,陆陆续续发现了“祝融星”十多回,人们熟悉它的历史,为它计算了轨道,但是从没有确凿证据能证明。《追捕祝融星》的作者用近乎荒诞的笔调写道,“祝融星”最大的问题,就是它“从来都不存在”。

随着时间的推移,人们渐渐遗忘了“祝融星”,或许对于稳固的牛顿物理学大厦来说,“祝融星”的小小疑问,只是一个微不足道的失误罢了。但爱因斯坦不这么看。上文提到的“两种可能”中,如果不是因为一颗未被发现的行星存在,是不是有另一个大胆的猜测:牛顿错了?

爱因斯坦花了近十年光阴。在新图景中,物质和能量告诉空间和时间如何弯曲,而空间和时间告诉物质和能量如何运动。在那个星期四下午,爱因斯坦向同事们展示了他的证明:考虑相对论效应后,水星貌似“偏离”,实则遵循它的自然轨道。

接下来便是文章开头的一幕。作者感叹,这个故事充分展现了,一个思考者需要具备多强的能力,才可以在前人的智慧上独自做出伟大的发现。但“祝融星”告诉我们更重要的道理是,人类具有发现和自我欺骗的双重能力,“祝融星”给我们一个提醒,认识真实的世界,多么不容易,改变固有的观念,多么不容易。

 

(原标题:爱因斯坦摧毁“幽灵之星”)

来源:北京晚报

流程编辑:TF021

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