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计算大自然的常数-大自然的常数

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:爱因斯坦的理论预言,太阳的引力场会使恒星的光在其投向地球的途中经过太阳表面时发生约1.75秒弧度的偏折。爱丁顿的考察队在普林西比岛做了成功的测量,尽管那里的天气条件恶劣。图5.1阿尔伯特·爱因斯坦和阿瑟·爱丁顿在爱丁顿家的花园相聚,爱丁顿的妹妹摄于1930年。他的非战立场在第一次世界大战期间导致他选择去领导普林西比日食考察队。他终生未婚,生活在剑桥大学天文台,他的妹妹为他和他们年老的母亲整理家务。

计算大自然的常数-大自然的常数

保守主义者怀疑思考,因为思考整体导致错误的结论,除非你的思考非常、非常严格。

——罗杰·斯克鲁[2]

马普尔小姐告诉我们:“任何巧合始终值得注意”,毕竟“如果它只是一个巧合,你以后就可以把它摔开”。20世纪有关天文宇宙学的研究的最显著的特点之一便是巧合所起的作用:它的存在,对它的忽视和对它的认识。当物理学家们开始认识常数在量子王国中的作用并开始利用爱因斯坦的新引力理论来描述作为一个整体的宇宙时,对某些试图将这两个理论密切结合起来的人来说时机已经成熟。

其中的一位是阿瑟·斯坦利·爱丁顿:他是一位著名的科学家,曾第一个发现恒星是怎样通过核反应获得动力的。他还为我们了解银河系作出了重要的贡献,写了第一本系统地阐述爱因斯坦的广义相对论的著作,并且负责对爱因斯坦的理论进行了一项决定性的实验测试。他领导两个考察队中的一个,领导测量由太阳引力造成的光线的微小弯曲,这是项只有在日全食期间才可能进行的测量。爱因斯坦的理论预言,太阳的引力场会使恒星的光在其投向地球的途中经过太阳表面时发生约1.75秒弧度的偏折。当太阳的光盘被地球影子遮住时拍摄遥远恒星场的照片,再与当太阳位于天空另一边时拍摄的照片比较,可探测到恒星的表观位置的任何微小移动,从而检验光线弯曲的预言。爱丁顿的考察队在普林西比岛做了成功的测量,尽管那里的天气条件恶劣。爱因斯坦的预言得到了他的证实,使爱因斯坦名扬天下,成为公众眼里那个时代最伟大的科学家。在爱因斯坦访问剑桥期间,这两位科学家见了面,他们在大学天文台爱丁顿家的花园里聚首交谈(见图5.1)。

图5.1 阿尔伯特·爱因斯坦和阿瑟·爱丁顿在爱丁顿家的花园相聚,爱丁顿的妹妹摄于1930年。[3]

1924年,爱丁顿访问了位于帕萨迪纳的加州理工学院,他发现他对相对论的解说和他的证实光线弯曲预言的实验一起已经将他的名字与爱因斯坦的连在了一起。以他所具有的极其朴实和谦和的性格,他很高兴地看到天文学家们不但为他的访问举行了一次招待宴会,而且还见到了一位曾与他一起玩高尔夫球的物理学家,他曾写过一本绝妙的模仿诗文《海象和木匠》,以纪念他们共同赏识的相对论、高尔夫球和刘易斯·卡洛尔(1)——他单靠自己不可能做得比这更好。

爱因斯坦和爱丁顿

爱因斯坦和爱丁顿,

 都在计算他们的得分。

爱因斯坦的牌上显示九十八,

 而爱丁顿得到更多的分。

他俩都掉进高尔夫球的洞坑,

 两人都站起来并发誓作证。

爱因斯坦说我不愿看到

 如此之多的黄沙;

为什么在这里布上一个洞,

 我无法理解它,

如果有谁能把这地弄平

 我想这一定很伟大。

纵谈世间万物,

爱丁顿说该时刻已经来到,

立方体、米尺杆和时钟,

还有钟摆为什么会来回摇荡,

空间偏离垂直线有多大距离,

而时间是否真有翅膀。

空间具有的维数是四,

而不是仅仅的三维。

斜边上的正方形,

是否始终如此。

你对平面几何所作的研究,

使我悲伤得痛心不已。

你认为时间被严重地扭曲,

甚至光线也弯曲了;(www.xing528.com)

我认为我在这儿找到了概念,

这是否你的意思:

邮差今天带来的邮件

将在明天寄出。

爱因斯坦回答说:

直线不是最短路程

而是围绕自身的曲线,

极像整数8字形。

如果你走得太迅速,

你会到达太晚。

复活节是基督的节日

虽远离而犹近,

且二加二大于四,

而这里几乎相接近。

爱丁顿说,你或许是对的,

它似乎为一件琐事而戏吟。

W·H·威廉姆斯

爱丁顿是一位趣味淡泊、性格复杂[4]的人。他是一位严肃认真的贵格会教徒,又是一个和平主义者。他的非战立场在第一次世界大战期间导致他选择去领导普林西比日食考察队。随着他事业生涯的发展,他越来越多地进入公众的视野,是依靠通过一系列令人印象深刻而又笔调清晰的科普著作来解释不断发展的科学世界观以及他自己的科学哲学的。他的关于世界初始和末日的著作鼓舞许多作家将科学的观念引入他们设计的情节中,与此同时,神学家和哲学家们则对之作出各种各样的挑战,传播宇宙的即将来临的热寂危险不可避免的信息。多萝西·塞耶斯(2)彼得·温姆西故事《谁的尸体》[5]引人逗笑地利用热力学第二定律及无序程度稳步的增长,这需要人们确证一个混乱的证言,即该证据要与世界的热力学的方式相协调。在宇宙的演化中,“热力学第二定律”的作用曾是那个时代爱丁顿的科普著作的重要主题。这里有塞耶斯的虚构的东西。一个令人担心的证言是她的证据如此混乱以致没有人会相信她……

“但是你真的相信我,对吗?”

温姆西庄重地说:“我们相信你,科恩小姐,就像虔诚相信热力学第二定律。”

西蒙斯先生狐疑地说:“你说的是什么意思?”

温姆西建设性地解释说:“热力学第二定律嘛”,“它坚持宇宙走自己的路,要是没有第二定律,宇宙就会回头跑,就像绕错方向的电影胶片。”

“不,会回头跑吗?”科恩小姐惊叫起来,又相当高兴。

“圣坛可能会一片混乱,”温姆西说,“托马斯先生可能舍弃他的大礼服,而斯诺登先生放弃自己贸易,但热力学第二定律将持续起作用,然而它不会忘记它在这个毁损的星球上仍有一席之地,依此他的才智意味着优柔寡断(3),而我和更广大的知识界则申请去我们热衷迁居的行星。督察员昂佩尔蒂看来很震惊。但是我向你保证,我知道没有什么更令人难忘的方法来证实我对你的绝对完美的全部信念。”他露齿而笑说:“关于你的证据,科恩小姐,我所喜欢的是它对督察员和我已在着手解决的问题,增加了最后一层十足的、不可捉摸的晦涩,它的全部精髓可简化为莫名其妙的胡说。因此,按照热力学第二定律,它指出我们将时时刻刻向越来越带随机性的状态发展,我们接受这样积极的保证,而我们正在愉快又安全地沿着正确方向运动。”

尽管爱丁顿是一位怕羞的男人,缺少面对公众演讲的才能,但他的文章写得漂亮,人们仍然能从他的文章中找到生动的比喻和比拟,屡屡为寻求图示解说复杂观念的天文学家们所采用。他终生未婚,生活在剑桥大学天文台,他的妹妹为他和他们年老的母亲整理家务。他的兴趣是保守的,但并非完全可以预测得到;他喜欢侦探故事和足球(4)(所说的是真正圆形的足球),而且也很乐意与伦敦工人们一起在海布里观看阿森纳队。在他那年代,这是一支领先的足球队。[6]他是一位球艺平平的高尔夫球和网球玩家,但他非常认真地对待他的骑自行车进行的考察。他把他骑自行车的记录编成码,用单一的“爱丁顿数”E表示,这里E是指他骑自行车超E英里的天数。当E开始变大时,需要作相当大的努力才增加即使是1英里。他去世时爱丁顿的E数已增至87。

爱丁顿拥有剑桥大学实验哲学教授的身份。这个古老的头衔按传统是授给剑桥大学高级天文学家的。在爱丁顿这个职位上兼过职的是他的同时代人保罗·狄拉克。他是剑桥大学数学教授,又是诺贝尔物理学奖最年轻的获奖人。狄拉克是20世纪最伟大的物理学家之一,他曾预言反物质的存在,对量子力学作了最透彻的描述,揭示了电子是如何表现的,以及除此之外的许多成就。他的研究工作是最基础的数理类的,并且完全是独自完成的。他没有合作者,只有名义上的研究生,也没有研究小组。

爱丁顿是在这种局部的研究气氛中,探索大自然的新的法则和其最基本的粒子的行为的。爱丁顿开始着手制订一个工作计划。该计划引来了各种各样的反应,从尊敬佩服到公开嘲笑都有,均来自他的同行。他把他的研究称之为他的“基本理论”,它是在寻求最基础的可能的物理学理论,这一理论有可能解释大自然的常数的数值。

爱丁顿相信纯粹的思维能够达到对物理世界的完备描述。比起今天在他那个年代,这是一个更加雄心勃勃的观念。以下是他的信条的一个简明表述:

我的结论是不仅大自然的定律,而且大自然的常数都可从认识论的考虑推导出来,所以我们对它们会有一种先验的知识。[7]

这就是这位理论家的终极宣言。爱丁顿相信靠纯粹思维应当可能推导出大自然的全部定律和常数,并预言宇宙中存在像恒星和银河这样的事物。他最喜欢的影像是云遮行星时天文学家拍的相片,它会导出在上面看不到的恒星的存在。当然,实验和观测使任务变得容易许多,但爱丁顿相信一切都是他们所为。没有他们,他的目标将更难达到,但不会到达不了。

爱丁顿的计划未能成功。他的书直至1944年他去世也未能完成。[8]但在此前若干年里他发表了许多文章,并在他的几本普及性的著作里用了若干章节宣布他在了解大自然的常数值方面取得的巨大进展。他将自己的注意力集中在少数的大自然的常数上,先勾画其轮廓,并鼓励科学家们来解释它们,再设计能准确地阐明它们的数值的独特的数学推理的复杂链条。

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