聊聊狭义相对论-第21章
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1918年，再次错失一次机会。
1919年5月29日，在南半球的中纬度地区将会有一次日全食，但战争依旧没有结束。
战争永远是人类文明的破坏者。无论如何，战争都意味着损失，永远不会有赢家！
和平是我们永恒的呼声！
幸运的是，英国两队科考队悄悄出发了（要知道，那时侯英国跟德国可是敌对国！英国人愿意去验证德国人的理论，这本身就存在很大的阻碍，这似乎也验证了一句话——“科学无国界”）。其中一支奔赴巴西的索布拉尔（Sobral），而另一支则要到西非的普林西比岛（Principe），普林西比岛队由英国剑桥大学教授、英国皇家天文学会的爱丁顿爵士率领。然而一开始，天公不作美，普林西比的天气情况非常糟，日全食那天更是浓云密布，细雨绵绵，几乎没有希是望了。不过，那可能只是“贵人出门招风雨”的缘故吧，当日全食快要开始之时，天气便好转起来，看来上帝似乎很期待这一次判决。
经过拍照、分析……
1919年11月6日，在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上，汤姆逊（上面说的电子的发现者）宣布了最终结果——爱因斯坦说对了！他说道：“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一——也许是最伟大的！诸位今天将要听到的发现，就是它的伟大创造之一。这不是发现了一个孤岛，这是发现了新的科学思想的新大陆！”，接着两队的率领人戴逊与爱丁顿就这次考察的结果作了报告。
确实是爱因斯坦的预言！
爱因斯坦胜利了！
广义相对论胜利了！
时空确实是弯曲的！
宇宙确实是按照广义相对论来运转的！
对于此事，全球媒体争相报道。英国《泰晤士报》采用了大标题“科学上的革命，宇宙的新理论——空间是弯曲的！”美国《纽约时报》——“爱因斯坦奠定了新物理学”……
事实上，后来的科学家认为，爱丁顿此次的结果还是存在很大误差的。爱丁顿得到的结果是1。61〃±0。30〃，而另一队的结果是1。98〃±0。12〃，与理论预言值相差甚远，而且他们处理数据的方法也是需要商榷的。不过，后来的实验更加精确地验证了广义相对论的预言。例如，在1973年6月30日的日全食，美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲进行了观测，并且对实验条件进行了严格控制，最终得到的结果是1。66〃±0。18〃。而在1974年和1975年间，福马伦特（A。 B。 Fomalont）和什拉梅克（R。 A。 Sramek）利用甚长基线干涉仪，利用射电源的微波来进行实验，结果得到了太阳边缘处射电源的微波被偏折了1。761〃±0。016〃。1984年的观测数据和广义相对论的预言数值之比为1。004±0。002。1991年的比值甚至达到了1。0001±0。0001。
除了水星进动、光线弯曲之外，引力红移实验、雷达回波的时间延迟实验、引力透镜等都支持了广义相对论。
如今，广义相对论业已成为了现代科学的支柱，在宇宙学、天体物理等诸多学科发挥了不可取代的作用。也产生了一堆令人费解、超乎大众想象的概念——黑洞、奇点、虫洞、时间旅行、引力波、宇宙弦……
就是在今天，人们对广义相对论的实验验证依旧没有停止。像正在筹备的、探测黑洞周围的时空弯曲的LISA（the Laser Interferometer Space Antenna）探测器，将探测引力波的LIGO（the Laser Interferometer Gravitational…Wave Observatory）探测器，月球激光测距，精确测量光线弯曲的LATOR计划，还有正在紧张进行中的、直接探测时空弯曲的引力探测器B……
在回到爱因斯坦身上之前，我们接着来看看那项非常庞大的引力探测器B实验。
美国东部时间2004年4月20日12时57分，历经40多年研发的美国引力探测器B（Gravity Probe B，简称GP…B）卫星在加州范登堡空军基地搭载波音的Delta 2型火箭升空。这是美国宇航局（NASA）资助约7亿美元、由美国斯坦福大学（Standford University）研制的科研项目，它将通过测量由地球引起的时空弯曲和由于旋转而引起的时空扭曲现象，从而检验爱因斯坦的广义相对论。
按照广义相对论，科学家们发现，由于地球质量的存在，将会使得周围的时空发生弯曲现象，他们将此称为“短程效应”（Geodetic effect）。除此之外，由于地球的自转，还会拖动周围的时空结构并发生扭曲现象，这又叫做“惯性系拖曳效应”（Frame dragging），这就有点像用绳子掉挂着一个旋转的小球，并把它放到豆浆里面，小球将会带动豆浆运动，这个效应之前从来没有被检验过。
而GP…B就是要测量这些现象，并给出最终的结论。
这个检验方案首先是由两位科学家George Pugh 和斯坦福大学物理学院的Leonard Schiff在1959年和1960年期间独立提出来的。1962年，现今GP…B的首席研究员Francis Everitt教授来到斯坦福大学。在1964年，NASA开始正式对这个计划实施资助。1982年，NASA完成了对GP…B方案的研究。1983年，斯坦福大学决定制造专门的杜瓦瓶（Dewar，也叫做真空瓶）。1999年，所需的陀螺仪（Gyroscope）和望远镜（Telescope）制造完成。2003~2004年间，所有工作接近尾声。最终，GP…B成功在4月升空。
这是一场马拉松式的科学研究。前后从实施到制造完成，用了40多年。在此期间，围绕GP…B产生了约100篇博士论文。当年参加该项目的小伙子现在已是白发苍苍的老教授。像Francis Everitt教授，刚接触GP…B时才28岁，如今早已年过花甲。
我们来看看GP…B是怎样检验广义相对论的预言的。
陀螺仪是一种自旋的仪器，它在处于自旋状态并指向一颗恒星后，可以保持自旋方向不变。然而在太空中，由于受到地球的“短程效应”和“惯性系拖曳效应”的影响，它的指向将会发生变化。我们只需要来测量这样一种微小的变化，就有机会来检验广义相对论了。
科学家解释说，由于GP…B卫星的轨道是极轨道（polar orbit），也就是说它每圈都会经过两极的上空，所以这两种效应是能够区分开来。具体而言，“短程效应”将会使得陀螺仪的自旋轴每年漂移0。0018度（这相当于在0。4千米之外看到人的头发丝的宽度），而“惯性系拖曳效应”则小得多——每年0。000011度。
为了达到这样的精度，实验对仪器的要求可想而知了。
首先来看那4个乒乓球大小的陀螺仪，它们由石英制造而成，直径3。8厘米，号称为有史以来人类所制造的最完美、最滚圆的球体，各方向上的尺度误差不超过40个原子的尺度，它的光滑表面跟CD的相比，就像CD的表面跟砂纸比较。而且必须要求这些陀螺仪在太空中不受到外力的影响，它们以电浮的形式保持在真空中，并且被放置在一个铅金属制成的包内。
而安置陀螺仪的杜瓦瓶被处于接近绝对零度（1。7开尔文，即零下271度）环境中。为了达到这样的目的，瓶内装有400加仑的液氮。在低温情况下，铅变成超导，有效地屏蔽了地球的磁场的影响。再加上其他的保护措施，可以使得地球磁场对陀螺仪的影响降低到10…13。而为了探测陀螺仪的倾斜度，还运用了非常灵敏的超导量子干涉仪器（SQUID）。
至于那台望远镜，它里边包括一个不超过25美分硬币大小的探测仪器！它能够精确地测量出进入望远镜的星光量。主要用于对比望远镜的取向和陀螺仪自旋轴的夹角大小。
如今，距GP…B发射已经过去了3个年头，探测器的数据采集工作已经顺利完成，目前正处于数据分析阶段。
而根据在2007年7月份的更新消息来看，初步结果显示那两个效应都是可见的、比较明晰的，并且也是比较接近爱因斯坦的预言的，精度甚至超过了1％。但仍需进一步对数据进行更精确的处理。
而至于更新一轮的进展更新报告，按照计划将是在2007年的8月末。
根据来自2007年4月份在佛罗里达举行的APS（the American Physical Society）会议上的消息，2007年12月份将会完成GP…B所有的处理工作并且会发表最终的成果报告。
结果会是怎样呢？
其实，早在GP…B刚发射时，美国国家科学研究会就说了，如果GP…B实验成功，那么它将成为验证物理理论的一个经典实验。如果没有发现爱因斯坦理论的佐证，这次实验也将具有重要创造性的历史意义，因为那意味着现代物理学的基础——广义相对论将被改写。
新的荣耀？
新的乌云？
翘首以待吧！
好了，广义相对论就这样简单说说作罢，就此打住吧。
再回到爱因斯坦的身上。
他，是一个规律之美的永恒追求者！
在美国波士顿公共电视公司制作的介绍弦理论的影片《优雅的宇宙》（the Elegant Universe）中，是这样开篇的：“50年前，这座房子产生了现代科学界最大的谜团之一。谜团深奥异常，使现今数以千计顶尖物理学家仍在苦思破解之道。爱因斯坦最后20年的人生就在新泽西普林斯顿这座房子里度过，在2楼的书房里，爱因斯坦锲而不舍地探求这伟大的能涵盖宇宙万物的单一理论，即使临终时，爱因斯坦仍拿着笔记，努力想出一套方程式，那就是后来所谓的万有理论。他自信已达科学史首要发现的边缘，可惜时不予我，爱因斯坦未能圆梦。”
这里描述了爱因斯坦后半生的最高目标——统一场论。虽然爱因斯坦孜孜不倦，但是终究不能了却夙愿。
广义相对论诞生之后，爱因斯坦并没有停下步伐。在他看来，广义相对论远远不是他最理想的理论。在他看来，规律应该是非常简洁的，它甚至应该只用一组方程式就可以描述万事万物！现在，广义相对论仅仅是解决了狭义相对论的遗留问题，在引力的疆土上披荆斩棘。但是，宇宙的另一种力——电磁作用力，却还没能收归门下，量子理论的“反革命军”也尚未收服，来势汹汹。放眼四海，世间依旧是四分五裂，何时方是大一统呀？
爱因斯坦永远坚信，上帝创造这个世界的时候，只用了最简洁的一组方程。而从这组方程出发，将可以推出宇宙万物的运转规律，知道所有的粒子，得到全部的常数……
是的，规律就应该是这样！
从乌云密布的革命年代到狭义相对论，再从狭义相对论到广义相对论，爱因斯坦正是凭着这种信仰，连连告捷，登上了一座又一座的颠峰……
1923年他在瑞典的诺贝尔奖获奖演讲中就指出：“一个寻找统一理论的人绝不满足于存在两种性质上完全独立的场（指引力场和电磁场）。”
1922年，爱因斯坦完成了第一篇关于统一场论的论文。1925年秋天，爱因斯坦发表了另一篇统一场论的重要论文《引力和电力的统一理论》。爱因斯坦认为他在这篇巨作中已经得到了真正的答案，但是事与愿违，爱因斯坦失望了。不过，这篇论文却埋藏着反物质理论基础的种子。1929年2月，爱因斯坦完成论文《统一场论》，这是对前一阶段研究成果的总结。1933年来到普林斯顿高等研究院，在宽松的学术环境中继续着对宇宙最高和谐的追求。星存而出，日入而休。在这期间，爱因斯坦也在为广义相对论的运动问题和量子理论方面努力。1950年4月，《关于广义引力论》完成，这是对自1922年起的28年统一场论研究工作的总结。
然而，在第三次追求规律美的圣杯时，上帝并没有眷恋他。其实，那时候，物理学家仅仅知道两种力，但是今天我们已经发现了自然界有四种力，除了引力和电磁作用力外，还有强相互作用力和弱相互作用力；而且现在我们所知道的粒子也比爱因斯坦时代多了很多……
从这个事实来看，爱因斯坦的失败似乎是注定的，是必然的！
但是，他那种对美的信仰和孜孜的追求精神却应该得到我们永恒的认可和发扬！
325楼
他，是一个经典物理的固执坚守者！
爱因斯坦终生都信奉决定论和因果律，前面我们也说过这些经典物理学的血脉已深深注入了相对论的骨子里头。然而，20世纪的另一伟大理论——量子理论却与之逆道而行，玻尔的哥本哈根解释更是直接与决定论和因果律相悖。在量子理论中，世界被概率所主宰，一些结论更是违背了因果律的铁条。更不幸的是，量子理论的结论却一而再，再而三地被实验所证实！
正因如此，当时99％的物理学家都站到量子理论一边。但是，要爱因斯坦放弃自己深深信仰的经典传统谈何容易？
于是，20世纪就有了一段爱因斯坦和玻尔论战的传奇。
虽然爱因斯坦早期对量子理论做了伟大的开创工作，但后来却站到了相对的一面去。1926年，他与矩阵力学的创始人海森堡讨论关于量子力学的哲学问题。1927年，参加第五届索尔维会议，同哥本哈根学派进行了激烈的论战，双方高手频频出招，但又被对方一一化解，精彩甚至不亚于武林聚会。1932年，同墨菲作关于因果性问题的谈话。1935年，同波多尔斯基（Boris Podolsky）和罗森（Nathan Rosen）合作，在美国《物理评论》发表了向哥本哈根学派挑战的论文《物理实在的量子力学描述能否认为是完备的？》，提出著名的EPR佯谬，认为量子力学对实在性的描述是不完备的。1936年，发表《物理学和实在》；1948年，发表《量子力学和实在》；对实在性问题进行了讨论。1953年，为纪念量子力学概率解释的提出者玻恩退休，发表了关于量子力学解释的论文，再次引发了两人的激烈讨论。
我觉得，爱因斯坦在这个问题上踽踽独行，矢志不渝的作风，应该是跟他那种骨子里头的异端精神是分不开。终其一生，爱因斯坦从来都没有随便迷信别人的看法，他不畏权威，一路走来，他都是凭着自己的信仰，自己的思考，而且造就了相对论的伟大奇迹。我想，这肯定也更加坚定了他对自己的信心。即使所有的人都站到了对面去，只要他觉得自己才是正确的，那么毫无疑问，他必定会坚持下去！这种藐视权威、不随声附和的精神，正是一个异端所必须具备的！
爱因斯坦孤独地嘶叫一声：“上帝不掷骰子！”回音荡荡……
但是却惹来了此起彼伏的反对声：“爱因斯坦，别去指挥上帝该怎么做！”久久不止……
无论如何，我都必须捍卫经典传统的光荣！
正是由于爱因斯坦的不倦论战，使得量子理论得到了更快的发展；
但也正是由于爱因斯坦站到了对面去，使得我们又少了一个伟大的旗手！
不知，这是我们的幸运还是不幸呢？
他，是一个和平事业的英勇战士！
爱因斯坦不仅仅是一个伟大的科学家，也是一个伟大的热心于社会正义和人类和平事业的世界公民。
爱因斯坦一生充满了对弱者的同情和关爱。他深刻体会到科学对社会的深远影响和知识分子对社会应负的责任。
1914年，反对德国文化界名流为“一战”辩护的宣言《告文明世界书》，并在同它针锋相对的仅有四个人签名的《告欧洲人书》上签字，还参加了地下反战团体
