你的位置:学习网 - 视频教程 >> 科技 >> 科普 >> 详细内容

《第1章 见证奇迹的时刻》




收藏本资料

本资料所属分类:

科技 科普

更新时间:2017年8月04日

如不能下载,请查看怎样下载


返回柔软的宇宙:相对论外传

第1章 见证奇迹的时刻



1801年,一间封闭的乌漆墨黑的屋子里,一个人趴在屏幕前仔细地
观察着微弱的光斑。当他终于看清了屏幕上那些奇怪的条纹以后,终于
长出了一口气:“牛顿牛老爵爷,你错了!”
牛顿在英国已经是大名鼎鼎的科学家,无数年轻的后辈都是看着他
的那本《自然哲学之数学原理》踏上科学征程的,这个年轻人也不例
外,他的名字叫托马斯·杨。1773年6月13日,托马斯·杨出生于英国萨默
塞特郡米尔弗顿一个富裕的贵格会教徒家庭,家里共有十个兄弟姐妹,
他是最大的孩子。托马斯·杨从小受到良好教育,自幼天资聪颖,是个
不折不扣的神童。两岁的时候,已经开始阅读书籍。四岁能背诵大量古
诗词,无论是英文的还是拉丁文的。九岁开始自己动手搞小制作,后来
学会了搞望远镜、显微镜,动手能力开始显现出来。十四岁就已经熟练
地使用多种外语,希腊语、意大利语、法语那是不在话下,读书做笔
记,随便用。西方国家的语言不够他学的,又开始学习东方语言,希伯
来语、波斯语、阿拉伯语人家也全拿下来了。那时候欧洲人眼里的东
方,也就到中东附近,再远就是印度了。
十九岁的时候,托马斯·杨来到伦敦学习医学。他先是对眼科特别
感兴趣,后来又喜欢上了光学。牛顿的书,他烂熟于胸,牛顿的《光
学》,那是非常熟悉的。托马斯-杨对当时科学界流行的两种光学学说
都很了解,首先是微粒说,牛顿是微粒说的支持者,他们认为光是发射
出来的粒子流,一个个小炮弹被光源打出来。微粒说很容易解释一些现
象,比如光沿直线传播,比如反射,但是另外一派就不是这么认为的,
他们明确地认为光应该是一种波。他们发现,两束光交叉后,彼此之间
毫无影响,按照牛顿支持的微粒说,这是不可能的。两挺机枪对着打,
总会有些子弹在空中相撞,然后掉下来,可是这种现象在光这里没人看
到过。两束光对着照射,过不久,地下积累起一小堆光子,这不是天方
夜谭吗?波动学说这一派的代表人物是惠更斯,惠更斯发现,两个水波
纹会彼此穿过,穿过以后互相不影响,那么假如光是一种波,这事儿就
好解释啊!但是波动说也有麻烦:光的波长是多少呢?没人知道光的波
长是多少,波长公式是λ=vt,λ是波长,v是波速,t是周期。可是这几
个值你一个都不知道,根本没法测量。在此后的200年里,光学停滞不
前,后辈们也一直也没能超越牛顿的《光学》。牛顿在力学方面的巨大
成功使得人们都愿意相信,牛顿的光学也是正确的,一直到拿破仑时代
也还是这么认为,毕竟微粒说算是比较主流的一种说法。
托马斯·杨到了医学院就读,现在可以称他为“杨大夫”了。他叔叔
也是一位医生,可以说正是因为这位叔叔的影响,杨大夫才最终确定学
习医学。不久后他的叔叔去世,给杨大夫留下了丰厚的遗产,不但有房
子,还有大量的藏书,还有不少艺术品,还有一万英镑的现款,从此,
杨大夫过上了衣食无忧的幸福生活。1794年,杨大夫二十一岁,由于研
究了眼睛的调节机理,他成为皇家学会会员。1795年,他到德国哥廷根
大学学习医学,一年后拿到了博士学位。后来他回了英国继续学习,在
剑桥,同学们都叫他“奇人杨”,因为他哪国语言都懂,马骑得非常好,
而且还会杂技走钢丝,算是科学家里走钢丝最棒的一位。各种乐器,他
抬手就来,演奏水平相当高,这也为他后来研究波动学说打下基础。乐
器嘛,本来就是各种振动各种波嘛!
尽管杨大夫是个医生,但他还是非常喜欢物理学,自己闲暇时间也
非常多,毕竟衣食无忧,不用朝九晚五地出门上下班。他一直在思考如
何去验证光到底是波还是粒子,到了1801年,他总算想出个办法来:先
要有个光源,这好办,然后要弄个板子扎个小眼儿,再找来另一个板子
离得非常近的距离扎两个小眼儿。这样的话,一束光就被劈成了两束,
这两束光来自同一个光源。因为来自同一光源,所以按照光的波动理
论,这两束光应该会发生干涉现象,他期待能看到光产生的干涉条纹。
最终,他如愿以偿地看到了条纹,终于可以对着苍天高喊一声“牛爵
爷,你错了!”光不是微粒,而是一种波,跟我们说话产生的声音是一
样的波。

后来,杨大夫又以狭缝代替小孔,进行了双缝实验(图1-1),得
到了更明亮的干涉条纹,双缝干涉可比小孔要亮多了,比较容易观测。
杨大夫把自己的试验成果写成论文发表,但是根本没人甩他的理论,最
后他自己写了一本书来阐述自己的波动理论,还是无人问津,据说只卖
出了一本。在这本书里他写道:“尽管我仰慕牛顿的大名,但是我并不
因此而认为他是万无一失的,我遗憾地看到,他也会弄错,而他的权威
有时甚至可能阻碍科学的进步。”但是,杨大夫凭借一己之力还是很难
撼动祖师爷的权威,至于他那本书到底是谁买去了,现在也搞不太清
楚。但是杨大夫的这个发现,对于拉普拉斯来说,不是没有影响的。拉
普拉斯恐怕是了解到了杨大夫的试验,按照杨大夫的波动理论,光并非
微粒,而是一种波,那么自己关于暗星的设想就完全是不靠谱儿的。虽
然拉普拉斯并不见得认同这种波动说,但是为保险起见,没把握的东
西,还是不要往《天体力学》这部书上写了。因此,拉普拉斯悄无声息
地删掉了有关暗星的内容,光线与引力的第一次碰撞就这样黯然落幕。
当然日后它们的命运会紧紧地纠缠在一起,远溯到混沌初开之时,这是
后话暂且不表。但是光学专家与天文学家刚巧就是同一拨人,他们的纠
葛才刚刚开了个头,好戏还在后面呢。
拉普拉斯的《天体力学》仍然在一版一版地出,后续的几卷不断面
世,期间拿破仑邀请他入阁担任内政大臣,八个月就被踢出来了。拉普
拉斯还是适合当一个科学家,政治这玩意儿他玩儿不转。拿破仑总是讥
笑他把“无穷小”带进了内阁,不过还是封拉普拉斯为伯爵。后来拿破仑
走背运,打了败仗被迫退位,拉普拉斯倒还是稳稳当当地继续当他的伯
爵,到了路易十八复辟回来当国王,反而封了拉普拉斯侯爵。那年头随
风倒的人多了去了,拿破仑手下一大帮子人都是跳槽的高手,拉普拉斯
最大的护身符,就是他的科学成就。不管是拿破仑也好,路易十八也
罢,都知道科学家的珍贵。大革命以后产生的督政府可就转不过这个脑
子了,他们把非常优秀的化学家拉瓦锡砍了头。拉格朗日四处奔走,想
免拉瓦锡一死,可惜没能成功。拉格朗日一跺脚仰天长叹,他们一下子
就砍掉了拉瓦锡的头,可是这样的头不知道多少年才会长出一个。
就在拉普拉斯和拉格朗日的这个时代,天体力学逐渐成熟。特别是
提出了摄动理论之后,天文学家们发现,其实天体的轨道并不是像开普
勒说的那样是个简单的椭圆。因为行星们离太阳非常遥远,而且行星之
间的距离也不近,把太阳和行星彼此看作是一个质点来计算并无大碍,
中学的物理课上经常就是这么算的。但是!行星之间其实是互相有引力
关系的,随着一年又一年的观测,微小的误差越积累越大,同时观测精
度越来越高,到了拉普拉斯他们那个时代,已经不能不考虑这些行星之
间的相互影响了,特别是行星里面的老大——木星的影响。拉普拉斯的
一个贡献就是告诉大家,这种复杂的情况是可以计算的,虽然显得非常
麻烦。行星在空间中走的是一条近似于椭圆的非常复杂的曲线,怎么
算?那要用到行星的摄动理论。当时天文学家们最发愁的就是天王星的
出轨问题。
自打赫歇尔发现了天王星以后,在天文学界引起了轰动。过去人们
总认为行星不过就是金木水火土这五颗,后来随着哥白尼日心说深入人
心,大家发现地球并不特殊,地球也是一颗行星,加起来不过六个。赫
歇尔发现了第七颗行星,当然是刷新了大家的认知啊!人们从此知道,
太阳系远不像过去认为的那样简单,于是赶紧去翻找故纸堆,看看前辈
天文学家的观测记录里面有没有天王星的痕迹,一翻不要紧,就发现过
去的人早就记录了天王星的位置,毕竟天王星最亮的时候有六等,在没
有光污染的郊外,肉眼勉强可见。人家天王星很给面子,还是比较亮
的。好多古代的观测记录都有这颗天体,然而,由于各种缘故,无人发
现天王星是一颗行星,居然会移动位置,结果纷纷与这颗行星失之交
臂。大家翻找出不少的古代记录,跟现在的观测数据合并到一起来计算
天王星的轨道,但是却悲惨地发现,天王星都不按照天文学家们计算的
轨迹去运行,人家溜溜达达地就出轨了。那好吧,是不是没考虑到木星
的影响呢?这可是摄动理论大显身手的好机会啊!使用了摄动理论进行
计算,果然算出来的轨道服帖了很多,基本跟天文观测对上茬了,大家
可松了一口气啊!
好日子总是不长久,天王星消停了几年之后,又开始出轨了。后来
天文学家一谈论到天王星的轨道问题,普遍脑仁疼。而且大家发现,带
上古代天文学家的观测记录吧,算出来的就不准,不带上吧,好歹能消
停一阵子。难道是古代天文学家测错了?不会吧!翻翻他们别的观测记
录,好像精度都很高的样子,那么多颗星,都测对了,唯独天王星测错
了,这也太巧了!而且那么多人的记录,难道大家齐刷刷地都把天王星
这一颗星测错了?这种可能性极小极小。
那是怎么回事儿呢?大家百思不得其解,既然解决不了,欧洲天文
学界便不得不做起了鸵鸟,脑袋扎到沙堆里,就当没看见。天王星轨道
的事儿就先往后放吧,天王星轨道异常,反正也不耽误地球的运行,也
不耽误人类社会的运转。可是有些事儿是耽误不起的,比如各大天文台
的重要工作之一便是编制修订航海年历,格林尼治天文台和巴黎天文台
都有这方面的任务。往前追溯,格林尼治天文台和巴黎天文台建立的动
因之一,就是经度测量问题。英国好几位最优秀的天文学家都担任过格
林尼治天文台台长,比如弗拉姆斯蒂德、哈雷、布拉德利等,法国的卡
西尼家族甚至祖孙三代都担任巴黎天文台台长一职。到了十九世纪,担
任过巴黎天文台台长的人中有一位著名人物叫阿拉戈,他是一位物理学
家,也是一位天文学家、数学家。他坚决支持杨大夫的波动学说,他的
好朋友菲涅尔也提出了类似的理论。菲涅尔跟杨大夫并不认识,他过去
是一位土木工程师,也是半路出家搞光学的,阿拉戈牵线介绍他们认识
了。菲涅尔跟杨大夫关系很好,两个人互相谦让了一番,都说对方才是
首创。从此杨大夫、菲涅尔、阿拉戈三个人胜利会师,三个人并肩作
战,搅得光学界风起云涌。
光既然是波,那么光既能够表现出干涉现象,也会表现出衍射现
象,菲涅尔就是首先对光的衍射现象做出精确描述的人。杨大夫也在搞
衍射方面的研究,但菲尼尔开始并不知道杨大夫的工作,后来杨大夫在
1817年给阿拉戈写信,说自己有点儿开窍了,过去波动光学遇到的一系
列问题是因为他以为光波是纵波。纵波就跟声音一样,是疏密波(图1-
2)。
假如光波不是纵波,而是像水波纹那样的横波,那么很多问题就迎
刃而解了,比如光的偏振问题。

阿拉戈告诉了菲涅尔,杨大夫认为光波是横波。其实菲涅尔不用阿
拉戈传递消息,他早就自己悟到了这一点,他已经根据光是横波的这一
思想推算出了偏振光的干涉原理,反射折射都不在话下,还有非常奇怪
的双折射现象也能得到解释(图1-3)。

菲涅尔把这一系列成就写成论文准备发表,请阿拉戈跟他一起署
名,阿拉戈临阵犹豫了,虽然他支持波动光学,但是他还是感到没把
握,毕竟反对波动光学的拉普拉斯和泊松这些人都是成了名的大腕儿,
他这一犹豫就没签字。菲涅尔一个人署名,所以“物理光学之父”的名号
就落到了菲涅尔的头上。阿拉戈虽然倾注了很多心血,而且对波动理论
做了不少贡献,无奈临门一脚退缩了,荣誉也就离他而去。当然他临阵
犹豫也不是仅有这一次,后来的一件大事儿恐怕他悔得肠子都青了。
1818年,法国科学院提出了征文竞赛题目:
1.利用精确的实验测定光的衍射效应。
2.利用数学归纳法,计算出光通过物体周围时的运动情况。
菲涅尔计算了一大堆障碍物的衍射花纹,方的、圆的、扁的……写
好了报告提交给了评奖委员会。评奖委员会里面有阿拉戈,他自然是支
持菲涅尔,但是他的反对者也不少,拉普拉斯、泊松、比奥都是支持牛
顿的微粒说的。还有保持中立的盖吕萨克,人家两边不掺和。
毫无疑问,菲涅尔遭到了微粒说支持者的一致反对,人家本来就不
认同波动说。泊松数学非常好,他拿过菲涅尔的计算结果仔细看了看,
提出了一个当时看起来匪夷所思的结论:按照菲涅尔的计算,假如用单
色光来照射一个圆盘,圆盘的背后应该存在一个阴影,仔细调节距离,
在阴影中间会出现一个亮斑。泊松认为,这根本就是胡扯,哪有这样的
事?他认为他已经驳倒了波动学说。菲涅尔和阿拉戈毫不犹豫地接受了
挑战,实验是检验理论最好的手段,果然,菲涅尔上演了让科学界大跌
眼镜的一幕。

一束单色光照在圆盘上,圆盘后面的屏幕上形成了一个阴影,仔细
调节屏幕的距离,果然发现在圆盘的中间有一个亮斑。泊松的预言被证
实了,信奉微粒说的科学家被"啪啪"地打脸。这个亮斑后来被称为泊松
亮斑(图1-4),可以算是一次见证奇迹的时刻,这下子信奉微粒说的
全哑了,波动光学得到了大家的认可,菲涅尔也被尊称为物理光学之
父。
这个问题解决了,可是还有一个大问题在困扰着物理学家们。很早
大家就知道,望远镜的口径越大,那么望远镜的分辨率越高。同样的放
大倍数,同样的焦距,口径大的望远镜,比口径小的望远镜要看得更加
清楚。背后到底是什么原因呢?1835年,英国的皇家天文学家、格林威
治天文台台长艾里做出了一个解释:你以为理想的透镜或者是反射镜能
够把光线汇聚到一点上吗?那是不可能的,因为衍射作用的存在,必定
会产生一个小小的环斑。也就是说,哪怕再理想的镜片,也不可能聚焦
到一个点上,必定是个很小的圆,这个圆越小,分辨率就越高,看得越
清楚,想要缩小这个环斑,必须做大口径。我们今天的巨型望远镜口径
都达到了十米的级别,三十米直径的望远镜也在建造之中,背后的原理
就是这个艾里环斑。越大的望远镜,分辨率越高,而且收集的光线越
多,也就越容易看到暗弱的天体。
艾里担任皇家天文学家和格林尼治天文台台长长达四十五年时间,
他刚上任的时候,格林尼治天文台非常落后,远远不及德国的竞争对
手,德国天文学在高斯等大牛的带领下搞得热火朝天。艾里首先要振兴
天文台,改进仪器,整理过去的观测资料。在艾里这个苛刻的“暴君”驱
赶下,老牌的天文台终于又一次焕发生机。
但很有意思的是,艾里不是因为他的成就被人们牢记的,而是因为
他的失败而名垂青史。这一天,艾里收到了一份论文,是一个名叫亚当
斯的年轻人寄来的,主要是为了解决天王星的出轨问题。这个亚当斯在
剑桥天文台工作,他花了好久,想要解决天王星轨道始终算不准的问
题,穷尽了各种各样的方法,最后都失败了。人家天王星就是不给人类
面子,始终抱着不合作的态度。亚当斯实在是没辙了,他不得不做了一
个最大胆的假设:有一颗未知的大行星,她的运行对天王星造成影响,
导致天王星的轨道变得古怪。于是他就把计算结果写成论文寄给了艾
里,毕竟他是权威嘛。没过多久,一封信从法国寄来,一个法国年轻人
勒维耶也给艾里写了一封信,上面明确地描述了他的计算结果——应该
有一颗未知的大行星在影响着天王星的运转,导致我们怎么也算不准天
王星的轨道。艾里看了看计算数据,跟亚当斯两个人是殊途同归,算撞
了车。按理说,两个人计算结果类似,那么应该引起警觉啊!这件事儿
看来是值得召集力量进行研究的,但是艾里表现得非常迟钝,他只是小
范围内跟几个朋友嘀咕未知行星的计算问题,亚当斯几次去拜见艾里都
错过了。
勒维耶的顶头上司阿拉戈,是巴黎天文台的台长,他的态度并不比
艾里强到哪里去。勒维耶从公开渠道发表了他的论文,欧洲都知道勒维
耶计算了未知行星的轨道,但是大家都没有兴趣拿望远镜去观测一下。
阿拉戈对年轻人很支持,不过也仅仅是口头支持罢了,他也没有动用巴
黎天文台的设备去观测。阿拉戈甚至对天体观测都不怎么热心,因为说
到底,他是物理学家成分多过天文学家。英吉利海峡两边的竞赛已经开
始了,英国这边艾里还在慢腾腾地磨蹭。亚当斯完成了新一轮的计算,
艾里还是没有动用格林尼治天文台的设备去观测这颗未知的行星,他写
了封信给亚当斯的顶头上司,剑桥天文台的台长查理斯,叫他观测,查
理斯也是拖延症发作,过了好多天才开始观测。亚当斯便将最新的计算
结果交给了查里斯,这个查里斯观测了一大堆星星的位置,然后跟过去
的数据做比对,假如有一颗星的位置变化了,那么必定是颗行星,要是
过去没记录的星星出现在这个区域,也能说明同样的结果。查理斯开始
比对数据,他比对了三十九组数据,每一组数据都跟过去的观测结果完
全吻合,他就不耐烦了。查理斯哪里知道,再往下比对十几个数据,就
能发现其中一颗星星过去没记录过,完全是颗新的天体。机遇只会偏爱
有准备的头脑,查理斯白白葬送了发现第八颗行星的至高荣誉,大好机
会拱手让到了法国人手里。
勒维耶的境遇并不比亚当斯更强,他在公开渠道发表了他的计算结
果,但是大家普遍不看好他的计算,甚至有人还叮嘱负责观测的工作人
员,不要花时间去找新行星,本职工作都干不完,没那个闲工夫去找那
个不靠谱的行星。阿拉戈很支持勒维耶,但是他自己也仅仅是稍微花了
点儿工夫观测,就草草收兵了。自然,阿拉戈也没看到什么不寻常的天
体。
勒维耶到处写信求爷爷告奶奶地请求欧洲各大天文台帮忙看看,收
到的都是礼貌而又客气的拒绝。不过,勒维耶想起了一年前,柏林天文
台的台长助理伽勒寄给他一篇论文,他还没时间回复呢。赶紧找出来,
仔细一看,论文写得不错,勒维耶便马上写回信,把论文夸得跟朵花似
的,然后在回信的结尾处话锋一转,开始聊自己推算未知行星的事儿,
而且做出了预报,大概会在哪个天区什么位置上。1846年9月18日,信
发出去了,9月23日,这封信到了伽勒的手里。这一天是个非常有意义
的日子,因为这一天是台长恩克五十五岁的生日。这位恩克台长是大名
鼎鼎的天文学家,是数学王子高斯的高足,他计算出了一颗彗星的轨
道,预言这颗彗星会在1822年5月24日再次回到近日点,果然它准时回
来了,这是继哈雷计算著名的哈雷彗星以来,第二次成功预言彗星回
归。从此恩克名声大振,并以他的名字命名了这颗彗星——“恩克彗
星”。他还观测到了土星环中间的一个缝隙,也以他的名字命名,叫
做“恩克缝”。
晚上,同事们都去了恩克台长家里,大家要开个生日派对给他庆
祝。刚好望远镜空着没人用,伽勒就跟恩克台长请示:能不能搜索一下
勒维耶预言的那个未知行星?恩克一高兴也就同意了,反正天文台的望
远镜也空着呢。有个年轻的学生达雷斯特也跟着一起回了天文台,他们
只有一个晚上的时间来观测。达雷斯特和伽勒仔细搜索了勒维耶描述的
那个区域,并没有发现哪个星星是有个圆面的,当年赫歇尔发现天王
星,就是靠着大望远镜直接看到了天王星的圆面。任何遥远的恒星都是
一个微小的点,但是行星比较近,应该是个微小的圆。还有一个办法就
是连续观测几天,看看是不是有移动的迹象,要是移动了,那应该就是
行星。可是他们只有一个晚上时间,于是他们灵机一动,想起不久前刚
刚对这个区域进行了观测,拿过去的观测记录和今天的对比一下,或许
能发现端倪。

上一篇 下一篇