万物简史书摘——第三部 一个新时代的黎明之第八章
👨🚀 第八章 爱因斯坦的宇宙 ✔️ 现代物理学的基础—量子理论 🔘 19世纪快结束时，科学家认为已经解开物理学的大部分谜团：电、磁、气体、光、声、力及统计力学；已经发现了Ｘ射线、阴极射线、电子和放射性；发明了计量单位欧姆、瓦特、开尔文、焦耳、安培和小小的尔格；提出了一大堆普遍定律，如光的电磁场理论、里氏互比定律、查理气体定律、体积结合定律、第零定律、原子价概念、质量作用定律等。 🔘 1875—1878年期间，吉布斯的书《论多相物质的平衡》出色地阐述了几乎一切热力学原理，包括“气体、混合物、表面、固体、相移……化学反应、电化电池、沉淀以及渗透”。 🔘 1887年，迈克尔逊和莫雷发现光的速度在各个方向、各个季节都是一样的。这是整整200年来出现的第一个迹象，说明牛顿定律也许不是在任何时候、任何地方都适用的。 ▪️ 光以太在19世纪物理学中占有绝对的中心地位，解释为什么光能够在太空里传播。那是一种稳定、看不见、没有重量、没有摩擦力，完全想象出来的媒质。据认为，这种媒质充满宇宙。光和电磁在这时候被看成是波，也就是说某种振动。振动必须在什么东西里面才能发生，因此长期认为存在一种以太。 ▪️ 迈克尔逊和莫雷在无意之中破坏了长期以来人们对光以太的信念。迈克尔逊有兴趣测量一种名叫以太漂移的现象（运动物体穿越空间所产生的一种顶头风），牛顿物理学的预言之一是，在观察者看来，光在穿越以太过程中的速度是不一样的，取决于观察者是朝着还是逆着光源的方向移动。迈克尔逊突然想到，地球有半年时间是朝着太阳的方向运动，有半年时间是逆着太阳的方向运动的。他认为，只要在相对的季节里进行仔细测量，把两者之间光的运动速度进行比较，就能找到答案。他制作了干涉仪，用来非常精确地测定光的速度。 🔘 科学正从宏观物理学向微观物理学转变。1900年，普朗克揭示了一种新的“量子理论”：能量不是一种流水般连续，而是一包包地传送的东西，他称其为量子。 ▪️ 从短期来说，它能为迈克尔逊-莫雷实验之谜提供一种解释，因为它表明光原来不一定是一种波动。 ▪️ 从长远来说，它将为整个现代物理学奠定基础。 ✔️ 一个新时代的黎明 🔘 1905年，爱因斯坦在德国《物理学年鉴》发表了一系列论文，其中三篇“称得上是物理学史上最伟大的作品”：一篇使用普朗克刚刚提出的量子理论审视光电效应，解释了光的性质（还促使许多事情成为可能，其中包括电视）；一篇论述悬浮小粒子的状况（即现在所谓的布朗运动），证明原子确实存在（这个事实过去一直存在一些争议）；一篇概述了狭义相对论，完全改变了世界。 🔘 爱因斯坦著名的等式E=mc^2的E代表能量，m代表质量，c2代表光速的平方。质量和能量是等价的。它们是同一东西的两种形式：能量是获释的质量；质量是等待获释的能量。 ▪️ 爱因斯坦的理论解释了放射作用是怎么发生的：一块铀怎么源源不断地释放出强辐射能量，而又不像冰块那样融化——把质量极其有效地转变为能量。 ▪️ 该理论解释了恒星为什么可以燃烧几十亿年而又不把燃料用尽（同上）。使地质学家和天文学家的视界开阔了几十亿年。 ▪️ 该理论尤其表明，光速是不变的，最快的，什么速度也超不过它。弄清了宇宙性质的核心。 ▪️ 该理论还解决了光以太的问题，说明它并不存在。 🔘 狭义相对论将时间和空间与观测者视为一个不可分割的整体。相对杆和钟分别静止和匀速运动的观测者，在测量同一根杆的长度以及比较同一个钟的快慢时会得出不同的结论，这一现象被称为“尺缩”和“钟慢”效应，它们是狭义相对论的必然后果。 ▪️ 狭义相对性原理：任何真实的物理规律在所有惯性系中应形式不变。 ▪️ 光速不变原理：任意一个惯性系中的观测者所测得的真空中的光速恒为c。 ✔️ 相对论 🔘 狭义相对论里缺少引力。狭义相对论之所以“狭义”，是因为它研究的完全是在无障碍的状态下运动的东西。 🔘 相对论认为，空间和时间不是绝对的，而是既相对于观察者，又相对于被观察者；一个人移动得越快，这种效果就越明显。我们永远也无法将自己加速到光的速度；相对于旁观者而言，我们越是努力（因此我们走得越快），我们的模样就越会失真。 ▪️ 想象一列90米长的火车在以光速的60%行驶。对于立在站台上望着它驶过的人来说，那列火车看上去会只有70余米长，车上的一切都会同样缩小。要是我们听得见车上的人在说话，他们的声音听上去会含糊不清，十分缓慢，犹如唱片放得太慢，他们的行动看上去也会变得很笨拙。连车上的钟也会似乎只在以平常速度的五分之四走动。然而车上的人并不觉得自己变了形，一切似乎都很正常。倒是立在站台上的我们古怪地变小了，动作变慢了。这一切都和你与移动物体的相对位置有关系。 🔘 在“广义相对论”的众多概念中最具挑战性的，最难以用直觉体会的，在于时间是空间的组成部分这个概念。 ▪️ 我们本能地把时间看作是永恒的，绝对的，不可改变的。 ▪️ 事实上，爱因斯坦认为时间是可以更改的，不断变化的。时间甚至还有形状。它与三维空间结合在一起，不可思议地形成了所谓的“时空”。 🔘 引力是时空弯曲的一种产物 ▪️ 想象一样平坦而又柔韧的东西——比如一块地毯或一块伸直的橡皮垫子——上面放个又重又圆的物体，比如铁球。铁球的重量使得下面的底垫稍稍伸展和下陷。这大致类似于太阳这样的庞然大物（铁球）对于时空（底垫）的作用：铁球使底垫伸展、弯曲、翘起。现在，要是你让一个较小的球从底垫上滚过去，它试图做直线运动，就像牛顿运动定律要求的那样。然而，当它接近大球以及底垫下陷部分的时候，它就滚向低处，不可避免地被大球吸了过去。 ▪️ 引力与其说是一种东西，不如说是时空弯曲的一种结果——用“在某种意义上，引力并不存在；使行星和恒星运动的是空间和时间的变形。” 🔘 广义相对论的其他见解 ▪️ 宇宙总是或者膨胀或者收缩的。 ▪️ 预言引力波的存在。根据广义相对论，引力的本质是时空的弯曲，引力并非是超距作用，传播速度是光速。因此，引力在传递过程中，会产生时空的涟漪，这也就是引力波。打一个并不是非常恰当的比方来进行理解，时空就像是水面，带质量的物体就好比时空，当我们把石头扔到水面上，就会泛起涟漪，这涟漪就好比是引力波。而在2016年，LIGO团队探测到了引力波存在的证据。（转载自网友微夜） ✔️ 宇宙不是静止的 🔘 斯莱弗发现，这些恒星明确显示出一种多普勒频移的迹象，这些现象也适用于光。就不停远去的星系而言，它被称为红移（因为离我们远去的光是向光谱的红端移动的，而朝我们射来的光是向蓝端移动的）。 ▪️ 斯莱弗不知道爱因斯坦的相对论，世界也同样不知道斯莱弗，因此，他的发现没有影响。 ✔️ 宇宙已经存在多久？宇宙的范围有多大？ 🔘 首先必须知道某类星系离我们有多远，在以多快的速度远离我们而去（即现在所谓的退行速度）。 ▪️ 红移能使我们知道星系后退的速度，但不能使我们知道它们离得有多远。 ▪️ 需要有所谓的“标准烛光”，是天文学中已经知道光度的天体。即准确测得的某个恒星的亮度，作为测算其他恒星的亮度（并由此计算其相对距离）的基准。这个概念是基于光的一个关键属性。光的强度随着它在空间中的移动而减弱。 ▫️ 用作物理距离指示的几乎所有天体都属于具有已知亮度的类别。 通过将该已知亮度与天体的观测亮度进行比较，就可以用“标准烛光”的平方反比法计算出它们之间的距离。 ▫️ 如果我们知道一个天体的绝对亮度，以及到达我们时的视亮度，我们就能确定它的距离。 ▫️ 金属丰度是“标准烛光”内在亮度的主要影响因素，这是指天体中除氢和氦以外的重元素的总质量，“也就是说，拥有不同重元素的恒星具有不同的内在亮度。”测量标准烛光的金属丰度成本往往很高，需要通过光谱测量获得结果。使用标准烛光测距还需要确定该天体的光度（绝对星等），而获得光度的操作即为标准烛光的定标，定标则依赖宇宙距离阶梯。 ▫️ 标准烛光有下列这些类型：天琴座RR变星属于红巨星的状态，用于测量银河系内和邻近的球状星团距离；食双星，在最近这十年内，使用8米级的望远镜已经有能力测量食双星的基本参数，因此可以利用它们测量距离。 近年来，已经成功的用于测量大麦哲伦星系、小麦哲伦星系、仙女座星系和三角座星系的距离。食双星提供了一种直接测量距离的方法。距离在3百万秒差距附近的星系，可以将精确度改善至5%以内；造父变星，星系天文学的首选，可测量数千万秒差距的距离；红巨星分支技术（TRGB）的距离指标；la型超新星，最大亮度的绝对星等与光度曲线有很明确的函数关系，可用于确认数亿秒差距外的星系距离。 ▫️ 造父变星在哪个星系都有。造父变星是一种亮度跟脉动周期直接联系的恒星（1784年约翰-古德利发现了它的光变现象，1912年哈佛天文台的勒维特发现了上述造父变星的周期-光度关系）。通过探测造父变星的脉动周期，科学家就可以计算出造父变星的实际亮度，然后根据观测到的亮度，计算出地球与造父变星之间的距离，进而再计算出地球与这个星系相距多远。另外一种常用的方法是使用哈勃-勒梅特定律。科学家通过将由红移现象测得的星系远离速率，乘以哈勃常数，就可得出距离。
▪️ 亨利埃塔·斯旺·莱维特想出了一种找到这类恒星的方法。她注意到，有一种名叫造父变星（以仙王星座命名，第一颗造父变星就是在那里发现的）的恒星在有节奏地搏动——一种星体的“心跳”。北极星就是一颗造父变星。通过比较天空中不同位置的造父变星的相对量级，就可以计算出它们之间的相对位置。它们可以被作为标准烛光——这个名称也是她创造的，现在依然广泛使用。用这种方法得到的只是相对距离，不是绝对距离。这是第一次有人想出了一个测量浩瀚宇宙的实用方法。 ▫️ 造父变星之所以搏动，是因为——用天文学家的行话来说——它们已经走过“主序阶段”，变成了红巨星。红巨星的化学过程有点儿难懂。简而言之，在燃烧剩余的燃料的过程中，它们产生了一种很有节奏、不停地一亮一暗的现象。
🔘 哈勃把莱维特测量宇宙的标准和维斯托·斯莱弗的红移结合起来，以焕然一新的目光有选择地测量空间的点。1923年，他证明，仙女座里一团代号为M31的薄雾状的东西根本不是气云，而是一大堆光华夺目的恒星，其本身就是一个星系，直径有10万光年，离我们至少有90万光年之远。
🔘 1924年，哈勃写出一篇具有划时代意义的论文《旋涡星云里的造父变星》，证明宇宙不仅仅有银河系，还有大量独立的星系，其中许多比银河系要大，要远得多。 ✔️ 宇宙在扩大，速度很快，而且朝着各个方向 🔘 哈勃开始测量远方星系的光谱（斯莱弗已经在亚利桑那州开始做的那项工作）。到20世纪30年代初已经得出结论：天空中的所有星系（除我们自己的星系以外）都在离我们远去。而且，它们的速率和距离完全成正比：星系距离我们越远，退行速率越快。 ▪️奇怪的是以前谁也没有想到宇宙在扩大（斯蒂芬·霍金）。一个静止的宇宙会自行坍缩，要是恒星在一个静止的宇宙里不停燃烧，就会使整个宇宙酷热难当。 ▪️ 哈勃没有充分认识到自己的发现的重大意义。一定程度上是因为他可悲地不知道爱因斯坦已经世界闻名的广义相对论。 🔘 乔治·勒梅特把实践和理论结合起来，创造了自己的“烟火理论”：宇宙一开始是个几何点，一个“原始的原子”；它突然五彩缤纷地爆发，此后一直向四面八方散开。这种看法极好地预示了现代的大爆炸理论，但要比那种理论早得多。世界还需要几十年时间等彭齐亚斯和威尔逊无意中发现宇宙背景辐射，大爆炸才会从一种有趣的想法变成一种确定的理论。
📝 摘录 🔖 如果你需要说明19世纪的美国是个机会之乡的理念，那么你很难再找到像阿尔伯特·迈克尔逊这样好的例子。他1852年生于德国和波兰边境地区的一个贫苦的犹太商人家庭，小时候随家人来到美国，在加利福尼亚州一个淘金热地区的矿工村里长大。他的父亲在那里做干货生意。家里太穷，他上不起大学，便来到首都华盛顿，在白宫的正门口游来晃去，希望能在尤利塞斯·S.格兰特每天出来散步时碰上这位总统。（那显然是个比较朴实的年代。）在这样散步的过程中，迈克尔逊深深博得了总统的欢心，格兰特竟然答应免费送他去美国海军学院学习。 🔖 实际上，世界即将进入一个科学的世纪。到时候，谁都会懂得一点，谁都不会什么都懂。科学家快要发现自己在粒子和反粒子的汪洋大海里漂浮，东西瞬间存在，瞬间消失，使毫微秒时间也显得十分缓慢，平平常常，一切都是那么古怪。 🔖 你或许觉得自己不大健壮，但是，如果你是个普通个子的成人，你那不起眼的躯体里包含着不少于7×1018焦耳的潜能——爆炸的威力足足抵得上30颗氢弹，要是你知道怎么释放它，而且确实愿意这么做的话。每种物体内部都蕴藏着这样的能量。我们只是不大善于把它释放出来而已。 🔖 爱因斯坦的下一个点子，是一切点子中最伟大的点子——布尔斯、莫茨和韦弗在他们很有创见的原子科学史中说，这确实是最最伟大的点子。“作为一个脑子的独创，”他们写道，“这无疑是人类最高的智力成就。”这个评价当然很高。 🔖 实际上，相对论的问题并不在于它涉及许多微分方程、洛伦兹变换和其他复杂的数学知识（虽然它确实涉及——有的方面连爱因斯坦也需要别人帮忙），而在于它不是凭直觉所能完全搞懂的。 🔖 实际上，你每次移动都会产生这样的效果。乘飞机越过美国，当你走出飞机时，大约会比留在原地的人要年轻一百亿亿分之一秒。即使从屋子的这头走到那头的时候，你自己所经历的时间和空间也会稍有改变。据计算，一个以每小时160公里的速度抛出去的棒球，在抵达本垒板的过程中会获得0.000000000002克质量。因此，相对论的作用是具体的，可以测定的。 🔖 在那个年代，无论在哈佛大学，还是在其他任何地方，这是妇女离天文学最近的地方。这种制度虽然不大公平，但也有某个意想不到的好处：这意味着半数最聪明的脑子会投入本来不大会有人来动脑子的工作，确保妇女最终能觉察到男同事们往往会疏忽的宇宙之细微结构。
