“完美理論”:廣義相對論的故事,以及是什麼讓它成為科學

佩德羅·費雷拉的著作《完美理論:一個世紀的天才和廣義相對論之戰》主要講述了愛因斯坦發展廣義相對論後,其他人對該理論的研究。

加入我們的科學愛好者社群!

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點


佩德羅·費雷拉的著作《完美理論:一個世紀的天才和廣義相對論之戰》主要講述了愛因斯坦發展廣義相對論後,其他人對該理論的研究。雖然有一章專門講述愛因斯坦艱難學習非黎曼幾何並建立定義該理論的場方程,但這本書真正精彩的部分是從1917年開始的,當時一系列男女科學家發現了這些方程的驚人含義。這本書節奏很快,並且很好地描繪了廣義相對論所揭示的豐富多彩的個性和令人興奮的發現。

到1919年,該理論已被公認為科學事業的一部分,尤其是在其回溯了水星近日點的正確值並預測了亞瑟·愛丁頓觀察到的星光彎曲之後,這一發現使愛因斯坦的名字登上了世界各大報紙的頭版。愛丁頓是愛因斯坦的繼承人,他徹底學習了該理論並掌握了其對恆星結構的意義。具有諷刺意味的是,他不敢將這些意義推導至其邏輯結論。這項任務留給了年輕的印度天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡,他透過考慮恆星耗盡燃料並在引力收縮下坍塌時會發生什麼,為黑洞的發現鋪平了道路。眾所周知,愛丁頓駁斥了錢德拉塞卡的發現,並表明自己很像愛因斯坦,年輕時是革命者,年老時卻變成了反動派。

黑洞的故事是本書追隨的一條重要線索。錢德拉塞卡的思想在30年代被列夫·朗道、弗裡茨·茲威基和羅伯特·奧本海默進一步發展。奧本海默的故事特別有趣,因為他是理論上發現黑洞的人,但後來卻完全與黑洞劃清界限,直到他去世都沒有表現出對廣義相對論的興趣。事實上,奧本海默對相對論的看法與30年代和40年代沉浸在核物理和量子物理革命中的絕大多數物理學家相似。量子力學和粒子物理學是新的前沿;相對論則是一片投機的死水。


關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。


正是普林斯頓大學的著名物理學家約翰·惠勒接替了奧本海默的工作。惠勒實際上是現代相對論之父,因為他是50年代和60年代重新激起人們對該主題興趣的人。他的許多學生,如雅各布·貝肯斯坦和基普·索恩,都成為了該領域的領導者。在英國,該領域由丹尼斯·西亞馬開創,他的學生羅傑·彭羅斯和斯蒂芬·霍金在理解奇點和宇宙大爆炸方面處於領先地位。霍金尤其透過探索我們現在所稱的“黑洞資訊悖論”,在資訊、相對論、熱力學和量子力學之間建立了非常重要的聯絡。

霍金關於奇點的研究與本書的第二個主要線索有關,這一次涉及廣義相對論在整個宇宙中的應用。這個故事從愛因斯坦發展出他的框架後開始,當時俄羅斯轟炸機飛行員亞歷山大·弗裡德曼和比利時牧師喬治·勒梅特發現,其中一個方程的解將是一個膨脹的宇宙。在一個愛因斯坦稱之為“我一生中最大的錯誤”的著名錯誤中,愛因斯坦發現了這個解,但基於對區域性靜態宇宙的觀察,他應用了一個湊合因子——一個“宇宙常數”——來阻止膨脹,事實證明,大約八十年後,它具有重大的意義。勒梅特和弗裡德曼的故事自然而然地引出了埃德溫·哈勃的故事,他在1929年觀察到星系的紅移,從而開啟了探索宇宙的偉大時代之一。這個時代以發現暗物質和暗能量以及將宇宙學轉變為一門精確科學而告終,所有這些都開闢了愛因斯坦夢想不到的前沿領域。費雷拉希望,這些美麗的方程中還蘊藏著更多的可能性。

費雷拉很擅長描述這兩個主要線索。相對論發展的一個最重要方面是,馬丁·賴爾、喬斯林·貝爾等人透過射電望遠鏡對遙遠天體進行實驗觀測,為該理論注入了活力。事實上,這本書強調了這樣一個事實,即如果沒有這些觀測,相對論充其量將繼續被認為是數學塗鴉,最多也只是投機科學。透過對類星體、脈衝星、中子星和黑洞的發現,將相對論置於現實世界中,清楚地表明瞭實驗證據在賦予理論可信度方面的重要性。就我個人而言,如果費雷拉也考慮了廣義相對論的其他一些證據,例如引力探測器B對框架拖曳的觀測,那將是非常棒的,這可是一項技術奇蹟,也是一個驚人的精確測量練習。

本書的最後一部分涉及過去四十年中,將廣義相對論與量子力學相結合的探索,這項工作由惠勒和他的學生布萊斯·德威特在60年代開始。在粒子物理學中取得如此輝煌成就的場論技術——最終產生了標準模型——在應用於相對論時徹底失敗了。一種可能的出路是弦理論,其優點是引力自然地從理論框架中產生。另一個有前景的框架是圈量子引力。現在眾所周知,弦理論的問題在於它沒有做出任何可檢驗的預測,並且它的解空間如此之大,以至於幾乎任何東西都可以容納在它廣闊的懷抱中。在科學中,一個可以解釋任何事情的理論通常被認為是一個什麼都解釋不了的理論。

再次讓我感到驚訝的是,實驗和觀察對於將一個理論從幻想的推測領域帶到堅實的現實是多麼重要。值得在此背景下比較量子力學、廣義相對論和絃理論的進展。量子力學在20世紀20年代發展起來,並立即解釋了許多先前令人困惑的實驗事實。它在30年代和40年代的應用範圍不斷擴大,涉及固態物理學、化學和核物理學,並始終得到實驗的充分支援。該理論中存在的哲學難題——我們仍在努力解決——並沒有因為其巨大的實驗成功而損害該理論。相比之下,廣義相對論大約在十年前被髮展出來。到1940年左右,它有兩個主要的實驗預測:星光彎曲和宇宙膨脹。但是,即使到1950年代後期,它也沒有成為主流物理學的一部分,並且被認為更多的是數學而不是物理學,主要是因為缺乏實驗證據。如上所述,只有射電天文學的發展才真正將整個框架置於堅實的基礎之上。

因此,量子力學幾乎沒花時間就變得令人尊敬,而相對論卻花了將近四十年才變得令人尊敬,即使後者成功地預測了兩個驚人的實驗觀測結果。最大的區別在於實驗證據,前者是豐富的,而後者是零星的,並且只是慢慢出現。與此相比,弦理論已經存在了大約四十年,但仍然沒有明確的實驗證據支援它。純粹從歷史的角度來看,這可能暗示它可能走錯了方向。費曼說過,科學理論唯一真正的檢驗是實驗,這是有原因的。

Ashutosh Jogalekar is a chemist interested in the history, philosophy and sociology of science. He is fascinated by the logic of scientific discovery and by the interaction of science with public sentiments and policy. He blogs at The Curious Wavefunction and can be reached at curiouswavefunction@gmail.com.

More by Ashutosh Jogalekar
© .