爱因斯坦是名伟大的科学家,但他有没有哪些理论被后人证明是错误的?

幼儿园彩绘

其实爱神他老人家也不是一贯光荣伟大正确的,不过爱神毕竟是爱神,就是犯个错误也是颇有戏剧性。

话说爱神提出广义相对论后,一时兴起,打算研究一下宇宙,就写出了宇宙模型,这就是有界无限的静态宇宙模型,这个宇宙模型有着划时代的意义,说宇宙不是无限的。

不过这个模型有一个缺点,就是只有引力没有斥力,这早晚会挤成一个疙瘩,这也是当年困扰牛顿爵爷的问题,爱神一琢磨,干脆添一个宇宙项吧,来抵消引力作用。

可没想到,弗里德里曼从爱神没有宇宙项的方程得出了一个新解,证明宇宙是在膨胀的,就是说爱神的宇宙项是画蛇添足,而后,哈勃的观测也证明了宇宙确实是在膨胀。

爱神感到很不好意思,立即去掉了宇宙项,并且声称这是平生第一大错误,知错能改善莫大焉,让人不由得对爱神的崇敬之情犹如滔滔江水连绵不绝。

可是事情还没有完。

可现在的理论表明,宇宙的膨胀速度并不是恒定的,而是在加速膨胀的,为了解释这种现象,物理学家们提出了暗物质理论,这表明,当初被爱神删掉的宇宙项是有用的,宇宙项又被加入了宇宙方程。

爱神啊爱神,你怎么就不能从一而终呢?


闲时乱翻书

爱因斯坦做为科学家,确实很伟大,他在1905年就完成了5篇重要的奠基性论文,开辟了20世纪物理学最重要的几个研究领域。

但是,爱因斯坦也只是个理论家,他有很成功的时候,也是有失败的时候。他提出的理论,远远不限于光量子学说和相对论。在爱因斯坦的学术生涯里,他提出了许多理论,其中必然也有不少后来被证明是错误的。例如,爱因斯坦提出了著名的EPR佯缪,来质疑量子力学的完备性,并和玻尔展开了多次辩论,最终人们证明爱因斯坦是错的。爱因斯塔也尝试提出过基本相互作用的大统一理论,但是因为时机不成熟,也几乎都是错的,只有等杨振宁等提出规范场论之后,才找到统一物理理论的正确方向。爱因斯坦对固体物理中的许多物理现象也感兴趣,例如超导,他也曾研究过,但是未能提出正确的理论解释。

爱因斯坦认为他一生中最大的错误,估计是宇宙学常数的引入。在爱因斯坦描述宇宙的场方程中,他发现这个方程存在一种解,就是宇宙总是在不断地膨胀,星系之间的距离总是在不断远离。他认为这和我们看到的事实不符,因为要是宇宙永远膨胀下去,最终星球之间的距离只能无限大,走向一片孤独和死寂。于是,爱因斯坦“随手”给他的场方程加了一个所谓常数项,这样就可以保证宇宙能够静态不变,这个常数就叫做宇宙学常数。事实证明,爱因斯坦宇宙学常数是错误的,相当于画蛇添足,因为哈勃的观测结果明确表明宇宙确实在不断膨胀。但非常有趣的是,物理学家对爱因斯坦的崇拜让不少人并没有直接放弃宇宙学常数,反正在不断争议中加深了对它的理解。如今,随着暗能量的发现,人们突然意识到宇宙学常数并不是“随意捏造”的,而是存在明确的物理意义,那就是暗能量的质量。爱因斯坦的错误,似乎变得更加具有物理研究意义了。


飞贼克斯和康德马特

量子理论

虽然爱因斯坦是量子理论的始作俑者,可他本人一生都不愿接受量子力学的怪诞结论。他说过一句很有名的话“上帝是不投骰子的”,旨在否定量子力学对物理世界概率性的描述。尽管爱因斯坦已经去世60年,但他给后人留下的争论一直是科学界的热门话题。然而,几天前由荷兰物理学家发布的实验结果终于表明,爱因斯坦错了。

从量子力学诞生开始,争论就没有停止过。尽管以丹麦物理学家波尔为代表的 “哥本哈根学派”认为量子力学是完备且自圆其说的,爱因斯坦等物理学家却始终坚持量子力学不是最终理论。爱因斯坦认为,物理世界的主宰是传统的机械决定论,而非概率。两派长期针锋相对,唇枪舌战,他们争论的焦点落在了“量子纠缠”(quantum entanglement)上,而量子纠缠直接挑战了经典物理学的定域性描述。比如,两个朝相反方向运动的光子,只要不受干扰,无论相距多远都可以在瞬间传递信息。打个比方,即使牛郎和织女分居在银河两头,彼此心映即刻完成,无需时间。爱因斯坦难以接受这样的结论,因为按照他提出的相对论,信号传递的最快速度是光速,两个相距甚远的物体是不可能在瞬间交换信息的。也就是说,如果银河系有 10万光年大,那么牛郎的呼唤需要10万年后才能被织女知道,绝不是发生于顷刻之间事情。爱因斯坦为此还提出了著名的“隐变量理论”,将量子力学不能给出确定结果的概率问题,归咎于人们对某种尚未发现的“隐变量”的无知。他认为,那两个彼此背离而行的光子,一定是具有某种内在的机制,决定了它们之后的行为,只不过人们不知道罢了。也就是说,牛郎和织女在每年分手的时候都要约定好,在日后的某个时刻彼此互相思念,只是这样的约定还没有被王母娘娘发现而已。简而言之,如果爱因斯坦是对的,那么人们依然可以按照传统的科学理念去理解世界。如果哥本哈根学派是对的,那么人们就不得不推翻许多根深蒂固的观念,重新去审视我们的世界。人们也不得不承认,真实的世界和我们通过感官所接触、所看到的世界在本质上是完全不同的。在当时,许多人都认为这样的争论不会有结果,因为这已然超越了科学范畴,上升为一个哲学问题。可转机出现在上世纪60年代中叶,当时爱因斯坦已经去世10年。欧洲核子研究组织 (CERN)的约翰·贝尔(John Bell)在赴美国访问期间,发表了著名的论文,将这一看似抽象的哲学问题简化为一个清晰的数学不等式,它被人们称为“贝尔不等式”。贝尔不等式其实是说,如果爱因斯坦提出的隐变量存在的话,那么在特定的实验条件下,实验结果(大量独立重复实验的统计概率)就会被限制在一个范围之内。一旦实验测量超出该范围,即贝尔不等式不成立的话,那么爱因斯坦就是错的,隐变量理论也就不正确。由于贝尔不等式可以直接付诸实验观测,爱因斯坦与哥本哈根学派之间的争论不再具有形而上的神秘色彩。取而代之的是,人们开始热衷于贝尔不等式的实验观测。然而实验测量并不简单。在过去的50年里,人们提出了不计其数的实验方案,但每一个方案都有漏洞。所以,尽管许多实验得到了违反贝尔不等式的结果,但由于漏洞的存在也无法在逻辑上直接证明贝尔不等式不成立。令人振奋的是,最近由荷兰代尔夫特科技大学的Ronald Hanson领导的科研团队,终于实现了没有漏洞的实验观测,50年来第一次无懈可击地直接证明了贝尔不等式不成立。Hanson团队的实验设计十分巧妙。他们在相距1.28千米的两个实验室里,分别用微波去激发处于极低温的钻石里的电子。当电子被激发出来时,它们同时也放出与自身相纠缠的光子。两边的光子通过光纤传送到位于两实验室之间的另一个探测地点,这里精确记录着光子到达的时间。如果两边发射过来的光子同时到达并以特定方式干涉,那么两个光子就会立即将自己所“代表”的电子纠缠起来,实现远程的量子纠缠。这好比远隔10万光年的牛郎和织女各派一个天使在鹊桥相会,如果两个天使同时到达并正确表达了主人的意思,那么牛郎和织女就实现了远程的“约会。由于两边的实验室在同时测量电子的自旋,一旦两个电子实现了远程的量子纠缠,仪器就会记录它们自旋在不同方向出现的频率。大量观测数据的统计结果显示,贝尔不等式的确不成立。该实验唯一不尽人意之处,在于两边的光子精确同时到达的成功率很低,大约1.5亿个光子对中才能有一对光子成功干涉并实现电子的远程纠缠。因此,该实验一共進行了22个多小时,却只得到245 次有效数据。不过,该团队目前正在努力改進,以期提高效率。 他们的实验结果刚刚出炉,尚未来得及发表于正式期刊上,但已经得到物理学界的普遍关注。 “这是量子物理学一项里程碑式的文章”,澳大利亚格里菲斯大学的Howard Wiseman评价道,尽管他本人没有参与这项实验。工作于悉尼大学的物理学家Christopher Ferrie认为该实验将有深远影响,他说“物理世界和人们日常直觉上看到的世界有着深刻的不同,人们将对此不再有任何的怀疑”。维也纳大学的Anton Zeilinger领导着一个与荷兰Hanson相竞争的科研团队,当他看到Hanson这项举世瞩目的成果时不禁说道“这是一个非常漂亮的实验,除了要祝贺他们的团队以外没有别的了。”他还说,如果爱因斯坦活着的话,他一定会对此印象深刻。


快乐

1912年,物理学家阿尔伯特·爱因斯坦站在一块黑板旁边,上面写满了数学算式

即使有人对阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的研究工作不甚了解,也肯定知道他非常聪明,以至于爱因斯坦这个名字已经成了天才的代名词。

这位伟大的科学家出生于139年前的圆周率日(3月14日),1915年提出的广义相对论奠定了他在科学界的地位,但他当然还是人,不是神。所以说,爱因斯坦也会犯错,但是很少有人知道,他曾经犯过的这三个错误。

1、星光会弯曲!弯曲了多少?

把一个重量很大的球放在橡胶材质的薄膜上,球的重量会让薄膜变形。爱因斯坦意识到太空中会发生类似的事情:来自恒星和其他大质量天体的引力会弯曲附近光线的传播路径。举例来说,如果来自一颗遥远恒星的光线在通往地球的路上经过太阳,那么它应该会发生弯曲,造成该恒星的观测位置出现微小偏移。

要验证这个想法并不容易。首先,偏移是极其微小的。而且,太阳的眩目光芒会让我们难以看清遥远的恒星。但是,天文学家意识到,在太阳光线被完全遮挡的日全食期间,即使是微小的偏移,我们也应该能观测到。

英国格林尼治皇家天文台的远征队于1919年5月29日在巴西索布拉尔观测到的日全食。

爱因斯坦进行了一系列的计算,以确定预测中偏移的大小,但他最初的努力出现了差错,得到的结果是正确值的一半。

如果天文学家在最早的日食观测行动中获得验证这个数字的机会,他们的观测结果将不符合爱因斯坦的预测。不过,天文学家的努力在1912年和1914年两度受阻,第一次是因为天气,第二次则是因为战争。等到他们在1919年春天完成必要的观测时,爱因斯坦已经修正了自己的错误——天文学家观测到的偏移跟他预测的一模一样。

2、引力波不存在!真的吗?

人类在2016年探测到引力波被誉为爱因斯坦理论的胜利,即证实了他在1916年做出的预言。但你或许也猜到了,这个故事还有更多内情。

在提出广义相对论之后不久,爱因斯坦开始猜想,是否存在一种跟引力有关的波,就跟电磁有与之相关的电磁波一样(电磁波包括可见光、无线电波、微波以及X射线)。

之后,爱因斯坦转向其他问题的研究。当他在20年后重新拾起这个问题时,他断定引力波不可能存在,因为它们会创造出“奇点”,也就是空间和时间被拉伸到无穷大的区域。

2016年2月11日,马克斯·普朗克引力物理研究所(又称阿尔伯特·爱因斯坦研究所)在位于德国汉诺威市的莱布尼茨大学举办的新闻发布会上,当时一位科学家在引力波视觉化图像下的剪影。

不过,爱因斯坦在这里犯了大错,根源在于他用来解决问题的数学坐标系。来自阿肯色大学(University of Arkansas)的物理学家丹尼尔·肯纳菲克(Daniel Kennefick)表示,这有点像使用经纬度在地球上定位时会发生的事。这种办法在地球的大多数地方是行之有效的,但当一个人靠近极点时,经线汇聚在一起,这套系统就崩溃了。

“这并不意味着地球没有北极,那是一个真实存在的地方,只不过坐标系不起作用了,”肯纳菲克说道。

爱因斯坦并非证明了引力波不可能存在,而只是证明了它们无法存在于他所使用的数学系统中。

爱因斯坦向《物理评论》(Physical Review)提交了一篇宣称引力波不存在的论文,该杂志的审稿人将其打回,要求进行修订。爱因斯坦恼火不已,撤回了论文,等到他把论文提交给另一家学术期刊时,他已经纠正了自己的错误。修订后的论文指出,引力波是确实存在的。

3、爱因斯坦和不断膨胀的宇宙

爱因斯坦对相对论的一些推论感到不舒服,其中之最:宇宙并非静态的东西,而是一个必然会膨胀或收缩的实体。

在爱因斯坦看来,这是不可想象的,他认为宇宙存在于一种“稳定状态”当中。

于是,爱因斯坦在自己的方程式中引入了一个生造出来的因子,一种与真空有关的能量。这个宇宙常数让爱因斯坦理论中的宇宙得以保持稳定,但果不其然,上世纪20年代的天文学家证实了宇宙正在不断膨胀。后来,爱因斯坦把这个宇宙常数称为自己学术生涯中“最大的错误”。

玛西娅·巴图西亚克(Marcia Bartusiak)说,考虑到爱因斯坦接受的经典物理学教育,他对宇宙膨胀说的抗拒是可以理解的。她是麻省理工学院的科学新闻学教授,并著有几本关于物理学史的书籍。

爱因斯坦在19世纪的80、90年代接受学校教育,当时的主流观点认为宇宙是静态的,而这种观点是基于可追溯至艾萨克·牛顿研究工作的物理学理论。不断膨胀的宇宙“并不符合他对宇宙运行机制的看法”,巴图西亚克如是说。但当天文学家向爱因斯坦展示了数据时,他改变了看法。

“他听取了天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)提供的证据。”巴图西亚克说,“他承认了自己的错误。”

在上世纪90年代末,天文学家发现宇宙不仅在膨胀,而且正在加速膨胀。现在,他们想知道是不是有一个类似于爱因斯坦宇宙常数的东西在起作用,这意味着爱因斯坦早前的错误实际上可能是一个领先于时代的想法。

1919年,40岁的阿尔伯特·爱因斯坦在自己位于柏林的书房。

爱因斯坦的这些错误无损于他的非凡成就。事实上,如果它们是由一位不那么有名的思想家犯下的,我们可能根本注意不到。历史学家尤尔根·雷恩(Jürgen Renn)表示,爱因斯坦没有被自己的错误带偏,他能够根据新出现的证据修正方向,这些事实正是其天才的标志。

“尽管遇到了令人难以置信的障碍,尽管犯下了种种错误,他执着向前,”柏林马克斯·普朗克历史研究所的主任雷恩说,“最后,他提出了物理学中最具革命性的理论之一。”


翻译丨何无鱼

校对丨其奇

稿源丨NBC News

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