刘立
爱因斯坦广义相对论“奇迹年”,又获诺奖! 精选
2020-10-7 09:57
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标签:诺奖, 爱因斯坦

 

第一次是2017年检测引力波的LIGO项目的三位科学家获得诺贝尔物理学奖。

北京时间2017年10月3日下午5点45分,2017年诺贝尔物理学奖被授予3位美国科学家:MIT物理学教授Rainer Weiss, 加州理工学院物理学教授Barry C. Barish和Kip S. Thorne,以表彰他们“对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献”。其中,Rainer Weiss独享一半奖金,Barry C. Barish和Kip S. Thorne分享另一半。奖金共900万瑞典克朗。

LIGO.png

(来源:https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/;)


今年北京时间10月6日下午6时许,Roger Penrose、Reinhard Genzel、Andrea Ghez获奖。英国科学家Roger Penrose“由于发现黑洞的形成是广义相对论的一个有力预测”而被授予了诺贝尔物理学奖。德国科学家和美国科学家Reinhard Genzel、Andrea Ghez因“在银河系中心发现了一个超大质量的致密物体”而被授予诺贝尔物理学奖。

来源:https://www.nobelprize.org/


这两次诺贝尔奖均与爱因斯坦广义相对论高度相关。

爱因斯坦曾说,如果说狭义相对论,不是我老爱做出来,别人也能做出来。但是,广义相对论,如果不是我老爱做出来,人类永远做不出来。(本人的演绎表述)。


可以说,1915年爱因斯坦提出广义相对论,是他继1905年“奇迹年”之后的 第二个“奇迹年”。


那么,老爱是怎样提出广义相对论的呢?且听本人来“演绎”这个科学史最辉煌的故事。


20191126周二下午,聆听了希伯来大学前校长、理论物理学家哈诺赫·加特福伦德教授(Hanoch Gutfreund)关于爱因斯坦广义相对论的起源和发展的报告:

THE GENESIS OF GENERAL RELATIVITY AND ITS CONSEQUENCES




知新温故。听完报告之后,又查阅和核实了曾经阅读过的两本爱因斯坦传记:

1)《上帝难以捉摸:爱因斯坦的科学与生平》,派斯 著。曾在清华大学科学史系成立大会上,聆听杨振宁先生说,这是他见到的世界上最好的科学家传记。同时,他尖锐地批评我国学者的科学史研究和撰写的科学家传记(参见:杨振宁:我们的科学史写作为什么不成功http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/7/381102.shtm)。此书由爱因斯坦研究专家中国科学院自然科学史研究所的方在庆研究员翻译出版。该传记的主标题:引用的是爱因斯坦的一个名言:Subtle is the Lord。个人认为,可以这样翻译:上帝微妙玄通。

2)《爱因斯坦传》,艾萨克森 著,张卜天 译。张卜天博士大约已翻译出版了30本左右的科学史著作,现为清华大学科学史系教授。


还在百度上查阅了Gutfreund教授的一些信息。原来关于他的中文信息很多,包括这则信息:

[2018年]希伯来大学原校长哈诺赫·加特福伦德教授(Hanoch Gutfreund),陪同[清华大学]陈旭考察了爱因斯坦档案馆,了解希伯来大学创始人之一、著名物理学家爱因斯坦的文书手稿、私人藏书等相关历史文档。希伯来大学是全球最大的爱因斯坦遗物保存地,目前收藏有8万份爱因斯坦相关文件,其中包括4万余份爱因斯坦手稿原件。


笔者听了 Gutfreund教授的报告,收获很大,这里单说,因为从这个报告得来的信息,笔者将1915年称为爱因斯坦“第二个奇迹年”(或奇迹年第二春)。

 

大家都知道,1905年,作为瑞士伯尔尼专利局普通职员的爱因斯坦,在“业余”发表了五篇高度原创性的论文(其中一篇是博士论文),创建了狭义相对论;运用普朗克提出的“量子”概念,解释了光电效应;为原子的存在提供了强有力的论证(及精确算出了阿夫伽德罗常数)。以及E=MC2。然而,爱因斯坦拿着这5篇高度原创性的论文以及其他论文,想到大学做“青椒”,吃了很多闭门羹,一波三折。


在很多人的刻板印象中,爱因斯坦只有屈指可数的几篇“代表作”,只重论文“质量”而不重论文“数量”。这不符合历史事实。比如前述1905年,爱因斯坦发表了5篇高质量的论文。再说1915年,爱因斯坦“发表”了四篇论文,标志着“广义相对论”的诞生。


请看Gutfreund教授的一张PPT:

1915 1.jpg

(来源:Gutfreund教授PPT 20191126)


大意是:1915年(11月),爱因斯坦在皇家普鲁士科学院提交了4篇论文,分别是:

1)11月4日 关于广义相对论

2)11月11日 关于广义相对论的一个补充 对广义相对论给出了一个简要而逻辑的结构

3)11月18日 从广义相对论解释水星的进动问题 对广义相对论作出了重要的确证

4)11月25日 引力的场方程 最终确立了广义相对论的逻辑结构


本人核查了派斯撰写的爱因斯坦传记,信息如下:

1915 2.jpg


爱因斯坦后来把他在1915年在普鲁士科学院“发表”的4篇论文,精心修改完善,完成了题为“广义相对论基础”的论文,1916年3月投稿给他当年“发家”并最钟爱的期刊《物理学纪事》上,并接受和正式发表。

该文后来出了单行本,爱因斯坦平生第一本书(CHUNV作)“横空出世”。到12月,爱因斯坦把狭义相对论和广义相对论合二为一,完成并出版《狭义和广义相对论浅说》这本高级科普书。这是爱因斯坦流传最广的一本书,被翻译为世界很多国家和民族的文字。


其实,在1916年爱因斯坦也是论文高产的。6月他完成了第一篇关于引力波的论文。7月爱因斯坦返回到对量子理论的兴趣,在后来的8个月发表了3篇关于量子理论的论文。


1915 3.jpg

(来源:Gutfreund教授PPT 20191126)


综上所述,爱因斯坦1915年在普鲁士科学院“发表”的4篇论文,以及1916年春天在《物理学纪事》正式发表的“广义相对论的基础”,标志着“广义相对论”的正式问世。爱因斯坦1915年创造了继1905年“奇迹年”之后的“第二个奇迹年”!


爱因斯坦本人并不认为宇宙中有黑洞存在,但是,1965年PENROSE利用严谨的、确凿的、精巧的数学论证,广义相对论必然可以推论出黑洞是存在的。该论文1965年发表于Physical Review Letters。


来源:Theoretical foundation for black holes and the supermassive compact object at the galactic centre (pdf) 原始来源:Penrose, R., 1965, “Gravitational collapse and space-time singularities”Physical Review Letters, vol. 14, no. 3. pp. 57–59, 1965


最后,写一个“打油诗”献给爱因斯坦和PENROSE:

BLACK HOLE AND ITS MYSTERY LAY HID IN THE DARKEST NIGHT,

GOD SAID "LET EINSTEIN BE,AND NEXT PENROSE"

AND THE DARKEST SECRETS OF THE UNIVERSE BECAME LIGHT.

 

附PENROSE代表作

Penrose, R., 1963, “Asymptotic properties of fields and space-times”, Physical Review Letters, vol. 10, no. 2. pp. 66–68. doi: 10.1103/PhysRevLett.10.66.
Penrose, R., 1965, “Gravitational collapse and space-time singularities”, Physical Review Letters, vol. 14, no. 3. pp. 57–59, 1965. doi: 10.1103/PhysRevLett.14.57.
Penrose, R., 1969, “Gravitational collapse: the role of general relativity”, Nuovo Cimento Rivista Serie, vol. 1. p. 252.
Penrose, R. and Floyd, R. M., 1971, “Extraction of rotational energy from a black hole”, Nature Physical Science, vol. 229, no. 6. pp. 177–179. doi: 10.1038/physci229177a0.
Penrose, R., 1989, Emperor’s New Mind, Oxford University Press.
Penrose, R., 2010, Cycles of Time: An Extraordinary View of the Universe, The Bodley Head, ISBN 978-224-08036

相关专题:2020年诺贝尔奖

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