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爱因斯坦最大的科学错误是什么呢?

2020-11-04 04:02阅读(63)

爱因斯坦最大的科学错误是什么呢?:客观地说,人无完人,孰能无过。在这个世界上,不可能存在不会犯错的人。而且很多时候犯错的过程,也是积累经验的过程。科学

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客观地说,人无完人,孰能无过。在这个世界上,不可能存在不会犯错的人。而且很多时候犯错的过程,也是积累经验的过程。科学史上的大神们,比如:爱因斯坦,牛顿都曾经犯过一些错误。而且牛顿还曾经利用自己的权威去打压过自己的对手,比如:胡克、莱布尼茨等人。

爱因斯坦没有像牛顿那样是一个学霸,但是爱因斯坦也曾经犯过一些错误,而且他的有些错误还发生了神奇的反转,今天,我们就来聊一聊,那些年,爱因斯坦犯过哪些错误?

黑洞和引力波

1915年,爱因斯坦提出广义相对论时,就觉得这个方程太过复杂,一时半会没有人可以解除出来。下面就是这个方程,是10个二阶偏微分方程组,关于“场方程”简直是一个传奇,我们后面还会围绕着它讲述很多其他的故事。

可是没过多久,爱因斯坦就迎来了打脸,一个还在第一次世界大战战场上的物理学家史瓦西就得到了一个方程的精确解。而这个方程对应的是一个没有转动的黑洞。

当爱因斯坦收到史瓦西的论文时,他是不太愿意相信史瓦西的结果的,但是他还是帮史瓦西发表了。一直到1955年爱因斯坦去世之前,他一直都不相信史瓦西得到的黑洞解。这里大概有两个原因。

首先,史瓦西黑洞不会转动,我们观测到的天体都会转动。

其次,当时没有实际观测到真实对应的天体。

后来,1964年,也就是爱因斯坦去世9年后,人类首次观测到了恒星级的黑洞。到了今年,科学家甚至用直接成像的技术给黑洞成像。

所以,在这一点上,爱因斯坦是错了。

在前几年,我们发现了引力波,这也是广义相对论的一个预言。只不过,一开始爱因斯坦也是不认同存在引力波的,他甚至写了一篇论文论证引力波是不存在的,结果发到学术期刊后,被人打了回来,这是因为编辑把论文给了其他的科学家看。后来,爱因斯安得知了其他科学家的意见后修改了自己的论文,重新发表。要不是爱因斯坦改了自己的论文,恐怕预言引力波的功劳也就不属于他了。

宇宙学常数

如果要说爱因斯坦犯过的错误当中哪个最有戏剧性,那一定是宇宙学常数了。那什么是宇宙学常数?

这还是要从上文中的广义相对论场方程说起。话说当年爱因斯坦看到这个方程的时候,他就有点无奈。因此,这个方程是描述宇宙的,而这个方程预示着宇宙在膨胀。当然,你现在可能觉得没啥,因为事实就是如此。但是在爱因斯坦的时代,大多数人普遍认为宇宙是永恒不变的。意思就是说,宇宙以前是什么样,现在还是什么样,没有开端,也没有末日。

于是,爱因斯坦为了让广义相对论的场方程符合自己的观念,就在这当中加了一个宇宙学常数,用符号Λ来表示。

可是爱因斯坦刚发表论文没过几年,他就迎来了一次“实力打脸”。有个叫做哈勃的天文学家,长期在观测银河系外的星系。他就发现大多数的星系都有红移现象。

红移现象说白了就是这些星系在远离我们,后来根据远离的特点,科学家确认了宇宙确实在膨胀。

当爱因斯坦知道了哈勃的观测结果时,他十分震惊,相传爱因斯坦曾说:给广义相对论增加一个宇宙学常数是他一生中做过最后悔的事情。

有了哈勃的“实锤”,似乎这个宇宙学常数就应该从此消失在这个世界了,当时很多物理学家也是这么认为的。

但事实真的如此么?我们直接给出答案:故事发生了再一次反转了。宇宙学常数在几十年后再一次复活了。当时科学家认为宇宙起源于一次大爆炸,大爆炸之后,宇宙发生了剧烈的膨胀。后来,因为我们所在的宇宙是一个物质主导的宇宙,因此,引力应该是主导,所以,宇宙应该是在减速膨胀的。

可是,到了1998年,两个科学小组观测到宇宙的膨胀并不是减速膨胀,而是在加速膨胀。

因此,原本的广义相对论场方程还需要加一个常数来拟合这个加速膨胀的结果,所以,我们还得把宇宙学常数加回去。也就是说,宇宙学常数以另外一种形式复活了,只不过这个常数和爱因斯坦当初要赋予的含义是不同的,但它们其实起到了同样的作用,就是调节宇宙膨胀的速率。因此,某种程度上是一回事。不过,这些事情都是发生在爱因斯坦死之后的事情,想必,如果他老人家知道这件事情,也会感觉到哭笑不得吧?

不过,客观地说,这次是爱因斯坦误打误撞,最终竟然还“对”了,但他所要赋予这个常数的含义是错误的。

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爱因斯坦曾首创一个宇宙常数。添加在爱因斯坦方程式中,使得宇宙存在一个静态解。后来爱因斯坦本人宣称这是他“一生中最严重的错误”, 在过去的半个世纪里,大多数物理学家都认为这个参数是多余的。


但其实这个不是他最大的错误。


无论是波尔还是海森堡,无论是维格纳还是诺依曼,都得出这样一个结论:人的意识才是波函数坍缩的原因,只有当电子的随机选择被“意识到了”,它才能变为现实。这是物理学的一个重大成就。

量子力学可能毁三观啊,你的“科学”世界观,“唯物”世界观有没有立刻觉得受到一万点暴击? 那什么是意识?人类的主观意识决定了客观物质世界?

这样量子力学发展到这里,正如那句名言,科学的极致是哲学。

哥本哈根派的结论让很多人不爽,包括德布罗意,薛定谔,领军人物就是大牛爱因斯坦,老爱有一句名言:上帝不玩骰子。老爱的后半生下定决心和量子力学的哥本哈根学派杠上了,这场争论持续了半个世纪。双方都是时代最顶级的科学家。从那时开始,终其一生,爱因斯坦就再也没有对科学有新的贡献了。

老爱和波尔的比武是这样的画风:老爱喜欢在上午先出招,而玻尔见招拆招,基本都能在当天晚上就破解。

老爱后来憋出了两个大招,一个是EPR佯谬,一个是隐变量诠释。

诺依曼是站在波尔一边的,在他的《量子力学的数学基础》书中,他顺手做了个纯数学证明,在现有量子力学适用的领域里,是找不到隐变量的!也就是证否了隐变量理论,这样隐变量理论从数学上被打趴下了。

要知道,此时诺依曼已经名动天下,尤其作为数学家。还记得我们之前说的诺伊曼的公式吗?(B)冯.诺依曼所证明的任何事情都是正确的。

没有人会对这位20世纪最伟大的数学家之一产生质疑。

德布罗意,看到冯诺依曼的证明后,心灰意冷,放弃了隐变量理论!

此后二十多年,隐变量诠释都被\"打入冷宫\"。

直到50年代,老爱的超级粉丝玻姆发现了冯·诺依曼证否的一个实际反例,于是继续高举隐变量理论,主张回归经典,但还是放弃了定域性原理(a.物理实在是独立于观测者而客观地存在的. B.两粒子间传递讯息的速度不能超过光速,不存在超距作用)。

1965年,又一个老爱的葱白粉,英国物理学家约翰·贝尔指出了诺依曼证明中第五公设的错误,并提出了大名鼎鼎的贝尔不等式,将爱因斯坦EPR佯谬中的思想实验推进到真实可行的物理实验,这样,纯粹哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。

这时科学界才意识到,原来冯·诺依曼也是会犯错误的。(不过在2010年,诺依曼也有个超级粉丝杰弗里·布勃认为贝尔误解了冯·诺依曼的证明,他指出证明虽然不是对所有隐变量有效,但是确实排除了一个定义明确且重要的子集。而且他认为冯·诺伊曼也意识到了这种局限,所以没有声称他的证明完全排除了所有的隐变量。)

但是,剧情还是在反转再反转, 虽然数学证明有个小问题,但是结论没有问题。半个世纪过去了,人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式,所有的实验都支持量子理论。实验基本宣告了局域隐变量理论的死刑:量子非局域性是真实的。

这时科学界也意识到,老爱后半生一直在错误中。

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爱因斯坦最大的科学错误是自以为超越了牛顿,其实他提出的狭义相对论的两条原理并没有超越牛顿。

按照哥德尔不完备性定理,如果狭义相对论是一个完备的物理系统,那么这个系统必然是自相矛盾的系统。狭义相对论正是如此。

狭义相对论系统的自相矛盾,就是光速不变的爱因斯坦时空悖论。

光速不变原理,源自迈克耳孙-莫雷验证以太存在的光学实验和麦克斯韦电磁场方程的推论;爱因斯坦以此为基础,把光速不变上升为狭义相对论的一条公理,以此取代牛顿绝对时空观的假设,并以洛伦兹变换取代了伽利略变换,因此,时空都会随物质的运动相对光速而变化。

问题在于,如果光速是恒定不变的,那么确定光速的时间与空间也必然是恒定不变的;因此,所谓的光速恒定不变暗含着时间与空间的恒定不变,这与牛顿的绝对时空观其实是等价的命题。区别就在于,光速不变界定的绝对时空是有限的绝对时空,牛顿的绝对时空是无限的绝对时空;也就是说,狭义相对论的时空是牛顿时空的局部有限时空。

爱因斯坦的自相矛盾就在于此:他以光速不变否定牛顿的绝对时空观时,又以光速不变肯定了牛顿的绝对时空观。可以说,这是狭义相对论无法克服的内在矛盾。这个矛盾,可以称之为爱因斯坦时空悖论。

也就是说,狭义相对论最终还是以牛顿的绝对时空观为基础的,洛伦兹变换只是伽利略变换的特殊形式,也就是伽利略变换的曲面形式。爱因斯坦的错误就在于,以为伽利略变换是洛伦兹变换的特殊形式,而事实恰恰相反。因为,以洛伦兹变换为基础的群是假定光速c恒定不变为条件的,如果假定c可以无穷大时,洛伦兹群就变成了伽利略群;因此,洛伦兹群只是伽利略群的一个子群。洛伦兹变换只适用于速度小于光速的条件,如果物质以光速运行就意味着相对空间与光速界定的有限绝对空间的重合,相对性原理会因此失效;如果物质以超光速运行就意味着物质运动的相对空间大于光速界定的有限绝对空间,相对性原理依然因此失效;反观伽利略变换,理论上适用于速度无穷大的条件,因此,洛伦兹变换是伽利略变换的特殊形式。

由此可以推论:洛伦兹变换只是适用于电动力学的特殊变换形式,并不适用于牛顿力学,因此没有普遍适用性;牛顿力学的空间度量、时间度量、质量、动量、能量不会因速度的改变而发生任何改变,因为平面不可能因速度的改变而改变为曲面,由克莱因变换群下的几何不变性可知空间度量不会发生改变。因此,所谓的洛伦兹时空收缩效应,对平面的牛顿力学并不存在,洛伦兹收缩效应本质上是将平面问题扭曲为了曲面问题、将惯性力等同于电磁力,所以时空收缩效应本身就是通过所谓的思想实验得出的虚假结论,必然与物理事实不相符合。

电动力学与牛顿力学的本质区别是什么呢?可以说,牛顿力学是平面的惯性力学,而电动力学则是曲面的引力力学,因此,两种力学兼容的几何空间不同。牛顿力学与欧几里德几何是兼容的一致的,这反映在惯性定律与平行线公理是一致的;电动力学则与闵可夫斯基几何兼容的一致的,这反映在麦克斯韦方程满足洛伦兹变换也就是转动变换。由于引力的作用使物质的运动为曲线运动,所以,引力作用下的质量分布、动量分布、能量分布也必然是曲面分布,这就决定了麦克斯韦电磁场方程对洛伦兹变换来说是不变的。

曲面和平面的内在矛盾,决定了电动力学与牛顿力学只能无限地近似但不可能完全等价;因此,所谓的统一场论是不可能存在的,引力与惯性力也是不可能统一在一个方程中的,爱因斯坦建立统一场论的失败是必然的。只有在一个点上曲面与平面才是相等的,这个点也就是所谓的极限点;因此,只有相对于一个几何极限点,洛伦兹变换与伽利略变换才完全等价,两种力学也因此等价,所谓的等效原理正是基于这个极限点的两种力学的等价(所谓引力质量与惯性质量相等),等效原理的本质就是场与加速度等效(g=a)。如果离开相应的几何极限点,引力与惯性力就有了本质不同,也就是平面与曲面的本质不同。

广义相对论就是以等效原理为物理基础、以黎曼几何为数学基础建立起来的引力理论。爱因斯坦试图将物理定律由惯性参照系推广到非惯性参照系时,面临的最大难题是场与加速度的问题,如果认定场与加速度等效就意味着认定引力与惯性力等效。等效原理是由地球对质量M的重力与外力的相等,推出重力加速度(所谓重力场)与直线加速度相等,从而被认定为是普遍成立的。从上面的分析可知,只有相对一个几何极限点来说,等效原理才是成立的;对于一个运动的质点来说,按照狭义相对论,质量是随速度的变化而变化的,但引力质量并不同步变化,因此等效原理不成立,这应该说是所谓的相对论悖论。问题的实质是,如果脱离了相应的几何极限点,洛伦兹变换与伽利略变换不等效,因此引力质量与惯性质量也不等效。当爱因斯坦将一个几何极限点成立的等效原理不加限制地推广到所有非惯性参照系时,并由点推广到曲线和曲面时,是有问题的。如果场与加速度等效,势必会得出引力与惯性力等效,洛伦兹变换与伽利略变换等效,曲面与平面等效;但事实是,引力与惯性力有着本质区别,曲面与平面也不可能等效。尽管广义相对论用现代微分几何进行了精心包装,但内在的深刻矛盾还是无法掩盖;爱因斯坦的引力场方程在宇宙学中的应用,就是成为所谓大爆炸学说的理论依据,并为霍金的神话创作提供素材。

可以说,牛顿的时空观更符合真实的宇宙,而相对论的时空观则是受曲面半径限制的有限的宇宙空间;与真实的宇宙相比,相对论的空间只是个无穷小的曲面几何空间;而真实的宇宙空间只能是三维的无穷大的空间,时间也只能是独立于空间的、绝对的客观存在。

到了今天,相对论越来越成了物理学进一步发展的障碍。破除对爱因斯坦及其相对论的迷信,也显得越来越紧迫!

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爱因斯坦最大的错误是对量子力学的否定,其中最为著名的就是上帝是否掷骰子啦。

海森堡曾指出,要想测量粒子的位置和速度,最好是用光照到一个粒子上的方式来测量,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明其位置。但不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间的距离更小的程度,所以为了精确测定粒子的位置,必须用短波长的光。


但普朗克指出,不能用任意小量的光,至少要用一个光子,而这个光子会扰动粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。

所以,这就引出了测不准原理,简单来说,就是如果要想测定一个粒子的精确位置的话,那么就需要用波长尽量短的波,这样的话,对这个粒子的扰动也会越大,对它的速度测量也会越不精确;如果想要精确测量一个粒子的速度,那就要用波长较长的波,那就不能精确测定它的位置。


总结来说,你选择以确定电子位置的实验本身,就导致了你无法对电子的动量进行精密的测量!玻尔为首哥本哈根派认为,这一测不准原理是自然界固有的不确定性导致的!

海森堡的测不准定理很好佐证了量子力学微观世界物质存在不确定性的结论。这也被爱因斯坦看作“上帝在掷骰子”的具体佐证。

所以他才会回击“上帝不掷骰子”,他认为量子理论仅仅是统计学的意义,并非完整的描述客观世界的“现实性”,爱因斯坦认为在测量之前,电子的位置与动量是存在的,只是我们现有的技术与理论的局限性导致的测不准原理,所以测不准原来并非客观规律本身导致的!


而在这个时候,爱因斯坦的忠实支持者薛定谔率先发起了一波反击,然而却无形助攻了海森堡一波,并且还完善了量子力学,精确概括了量子力学的本质,堪称猪队友。

爱因斯坦曾给薛定谔写了一封信:两个一模一样的密闭盒子,在其中一个盒子中放入一个球,在打开任一盒子之前,按常理来说,在第一个盒子中找到球的概率应该是50% 。但爱因斯坦并不认为这是一个完备的描述,他相信在原子领域一定有一个合适的理论,可以计算出一个确切的数值。在他看来,仅仅计算出概率还远远不够。


我和大家说一下,正如前面所言,爱因斯坦用找到球的概率来指代量子力学,而他按照自己创立的相对论观点则认为可以计算出一个确切的数值。

受这封信的启发,薛定谔把球换成了猫,在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。


根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但是在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后才能够知道。


这里涉及到了一个电子双缝实验,就是我们前面讲到的的电子究竟是粒子还是波的问题,在德布罗意提出了波粒二象性之后,C . J . 戴维孙和 L . H . 革末通过实验确认了一切物质都具有波粒二象性后。量子力学认为当人们没有对粒子进行观察的时候,它们是以波的形式运动,由于存在干涉,穿过双缝后会出现一道道痕迹。一旦观测后,它们立刻选择成为粒子,就不会产生干涉,穿过双缝留下痕迹。(电子属于粒子的一种)


这项实验本来是薛定谔用来打脸量子力学的,因为他旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,这会使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。


因为根据量子力学的理论,在不打开盒子的情况下“ 此时既可以说猫是活的,又可以说猫是死的。 ”然而这含生又包含死的情形不能被用来描述现实的状况。


可惜,薛定谔忘记了量子力学是旨在探究微观领域,而非宏观世界,有时候宏观世界是无法用来解释微观世界的。量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中,能同时拥有两个相反的特性,也就是我们说的波粒二象性。尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择,而但在微观世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的,就好像我们经常说一个人,不能简单判断他是善恶一样。


在过去的几十年里,物理学家成功地在实验室中实现了多种薛定谔猫态,将物质微粒转变为“既是 A 又是 B”的叠加态,并探测它们的性质。尽管薛定谔仍然十分倔强地表示保留意见,然而每一次测试结果都符合量子力学的理论预测。

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提起爱因斯坦我们脑海中都会浮现出一个头发乱蓬蓬但眼神却富有智慧的睿智老头形象


1999年时美国《时代》杂志评选了100位“世纪人物”,而爱因斯坦作为他们的代表登上了当年的杂志封面。由此可以看出尽管爱因斯坦已经去世多年,但人类文明并没有忘记这位创立了相对论个“半个”量子论的现代物理学大厦奠基人,然而鲜有人知道的是成就如此之高的爱因斯坦也曾犯过“一生中最大的错误”

那么这个“一生中最大的错误”究竟是什么?

以至于爱因斯坦要加上“一生中”来表达其严重性呢?

答案和宇宙有关


19世纪末到20世纪初,物理学家们发现所向披靡了几个世纪的经典物理学开始开始出现数据结果和实际观测存在偏差的现象(典型的就是水星近动问题),于是爱因斯坦带着他的狭义相对论和广义相对论出现了,物理学从此进入了新的时代。

春风得意的爱因斯坦于1917年结合广义相对论思想发表了论文《基于广义相对论的宇宙学思考》,但在其内的场方程里爱因斯坦为了让宇宙保持“稳恒态”,专门在左边添加了一个名为“宇宙常数”的项,该常数可以在大尺度上抵消引力坍塌从而让宇宙保持稳定。

但几乎就在同一时期,美国天文学家埃德温.哈勃通过分析河外星系的光谱数据确认了我们的宇宙处于膨胀状态,而非爱因斯坦在论文中营造的“稳恒态宇宙”

得知消息的爱因斯坦以最快速度赶往了哈勃工作的威尔逊山天文台,在亲眼确认哈勃的方法和数据无误后爱因斯坦意识到自己错了,错在根本就不该在场方程左边加抵消引力的“宇宙常数”项,所以爱因斯坦最后放弃了宇宙常数并把它称为“自己一生中最大的错误”


戏剧性的是上世纪90年代美国科学家亚当.里斯,在用la型超新星做“标准烛光”测定宇宙膨胀减速度时竟然发现宇宙正在“加速膨胀”,而背后的“元凶”则是之前从未意识到存在,但却占了宇宙质能总量68.3%的“暗能量”,正是这些暗能量在大尺度上加速了宇宙膨胀。

由于暗能量在作用性质上和爱因斯坦曾经删除的“宇宙常数”颇有异曲同工之妙,因此现在物理学家认为爱因斯坦当年的“宇宙常数”思想并没有方向性上的错误。

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爱因斯坦被认为是继伽利略牛顿以来最伟大的物理学家,他的相对论更是为人类开启了现代物理学的大门


时至今日爱因斯坦依然成为了“天才”二字的代名词,把某人称为“xx领域的爱因斯坦”往往就是对他最高的评价,然而爱因斯坦说穿了也不过是数十亿人类中的一员,所以他那天才的大脑在搭建现代物理学框架时也难免会出错。

而爱因斯坦生平“最大的错误”则是在1915年的的广义相对论引力场方程左边加入了“宇宙常数”


虽然爱因斯坦的宇宙常数只是一个很小的数,但它背后反应出的却是爱因斯坦倾向于“稳恒态宇宙”的思想,而几乎就在爱因斯坦发表广义相对论的同时美国天文学家埃德温.哈勃就通过分析星系光谱数据得知了“宇宙空间并不是稳定不变,而处于膨胀之中”

哈勃的这一发现漂传到爱因斯坦耳朵里后,爱因斯坦马上动身前往威尔逊山天文台亲眼确定哈勃的数据真实性,在看到星系光谱数据分析后爱因斯坦明白,自己错了。

认识到错误的爱因斯坦马上将“宇宙常数”从广义相对论里删掉了,并把它称为“自己一生最大的错误”


然而戏剧性的是我们其实都“冤枉”爱因斯坦了,因为上世纪九十年代确定存在且占宇宙质能总量68.3%的暗能量与爱因斯坦当年假设的“宇宙常数”颇有异曲同工之妙。

需要指出的是:爱因斯坦当时的宇宙常数很小,远没有达到“占宇宙质能总量68.3%”的程度,而且爱因斯坦的宇宙常数是“维护宇宙稳恒态”,而暗能量则是让本就膨胀的宇宙加速膨胀。

其实不论爱因斯坦错误与否,人类认识宇宙了解宇宙的热情都不会消失,爱因斯坦的贡献也不受影响

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爱因斯坦被认为是历史上最伟大科学成就最高的物理学家,在上个世纪初1905年提出狭义相对论,对经典力学的公式进行修正,打破了牛顿的绝对时空观,至此时间和空间都不再是绝对的。十年磨一剑,在1916年提出广义相对论,从而在本质上解释了引力,认为引力是时空弯曲所致。同时对于量子力学的发展有引导和奠基作用,当然随着量子力学发展的越来越“偏”,爱因斯坦又开始了和哥本哈根派的论战。

爱因斯坦自认为犯的最大错误或者说后悔的事情有两件,第一件就是关于宇宙常数的出现

在爱因斯坦提出广义相对论后,曾有其场方程研究宇宙演化的问题,得出的最终结论:宇宙并非是稳态的,它必须要收缩或者膨胀才能和场方程匹配。但当时主流思想认为宇宙是稳态的、无限的,没有起点也没有终点,即使爱因斯坦也受这种思想的影响,最后为了让宇宙重归稳态,所以在场方程中加入了“宇宙常数”。

哈勃发现了宇宙红移现象,并且在1929年提出了哈勃定律,认为距离我们越远的天体退行的速度就越快,爱因斯坦在知道后曾亲自去好工作的地方观看红移现象,回来后就把场方程中的宇宙常数去掉了,并认为这是自己一生中犯的最大错误。当然无心插柳柳成荫,爱因斯坦可能不知道,宇宙常数对于现代科学家研究宇宙有着非常重要的指导作用。

曼哈顿计划:爱因斯坦致信罗斯福

曼哈顿计划简单来说就是制造原子弹计划,爱因斯坦致罗斯福的信主要内容就是提醒,德国可能已经开始制造这种威力巨大的武器,美国要提前防范甚至要在德国之前把原子弹制造出来。但原子弹真正的投入战场,在日本的广岛和长崎发生爆炸,爱因斯坦后悔在致罗斯福的信件签字了,认为自己做了一件错事。

有的人可能认为原子弹的制造跟爱因斯坦有绝对的关系,其实并不是这样,爱因斯坦的质能方程可以解释为什么原子弹的威力那么大,但即使没有这个方程,人类也可能制造出这种武器,但未知的地方就是能量转化方式。就像是牛顿发现了万有引力定律,那么飞机从天上掉下来,你总不能怪在牛顿身上吧!

爱因斯坦医生可以分为几个阶段,三十六七岁之前就完成了主要的科学成就,那就是相对论的提出,再之后量子力学被哥本哈根派带的越来越偏,以爱因斯坦为代表的一众老牌物理学家们开始了和哥本哈根派的论战。“上帝还掷骰子吗?”、“薛定谔的猫”、“量子纠缠”等等都是这个过程中提出来的。当然最后的结果我们知道,量子力学根本哈根派胜利了。


在生命的后段时期爱因斯坦就开始深居研究大统一理论了,但是直到去世也并没有成功。爱因斯坦的一生除了和公式打交道之外最多的就是政治上的牵扯了。


文/科学黑洞,图片来源网络侵删。

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爱因斯坦最大的科学错误是什么呢?

爱因斯坦犯过两个最大的错误,一个是他承认的宇宙常数问题,另一个是他一起开创,但却爱恨交加反对了一辈子的量子力学。著名的爱因斯坦研究专家亚伯拉罕·帕斯在《爱因斯坦曾住在这里》一书中说就算1925年后,爱因斯坦改行钓鱼以度过余生,这对科学来说也没什么损失。下面来看伟大的爱因斯坦到底犯了多大错,居然沦落到钓鱼都没啥影响?

关于宇宙常数

牛顿开创的经典力学时代曾经有过300多年的辉煌,无数科学家为之努力与奋斗,拉普拉斯以此为基础为其开启经典天体力学,勒维耶以此计算发现了海王星,更有开尔文勋爵的大言不惭“未来的物理学只能在小数点后6位寻找存在”,普朗克导师建议他改行......但其实就像开尔文勋爵说的两朵乌云,第一朵乌云出现在光的波动理论上,第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上,前者直接导致了狭义相对论的诞生,而后者则是开启了量子力学的大门!

而爱因斯坦犯的错误却是在广义相对论上,狭义相对论是集众人大成,但广相却是爱因斯坦独立思考的理论。1916年推出后首先就被用来解决1849年勒维耶发现的水星进动问题,完美解决!而史瓦西拿它解出了天体坍缩成黑洞的史瓦西度规,还预言了光线弯曲!

广义相对论描绘的宇宙

但爱因斯坦将广相应用到宇宙学上推出广相宇宙学却是在光线弯曲验证之前的1917年,但他发现了一个可怕的事实,因为广相宇宙学下的现代宇宙是动态的,但当时宇宙学的主流观点却是静态的,伟大的爱因斯坦在此时退缩了,干了一件特别不符合爱因斯坦风格的事,他在广义相对论的引力场公式上加了个宇宙常数,以让宇宙处在静态模式下。

但1922年弗里德曼通过假设各向同性得到了一个弗里德曼方程,在这个方程中宇宙常数可以消除,从而得到了一个膨胀的宇宙,而勒梅特在5年之后独立得到了这个结果。更丧气的是1929年哈勃通过观测得到了一个膨胀的宇宙!

绝版的照片+绝了的台词

所以爱因斯坦说,加上宇宙常数是他一辈子犯过的最大的错,但其实这并不是,还有一个他为之奋斗终身的错误。

爱因斯坦是量子力学的开创者之一,但他也反对了一辈子!

普朗克在黑体辐射上试图统一维恩公式和瑞利-金斯公式时创立了量子这一概念,他将量子化的概念引入他拼凑出的公式中后大获成功,这是量子第一次以不连续的方式出现在世人面前!

大约5年后的1905年3月份,爱因斯坦发表了关于光电效应的论文,从光量子的角度阐述了光量子在金属表面轰击出电子的过程,当然光电效应最早应该是赫兹首先发现的,可惜赫兹并没有深究。

因此说爱因斯坦和普朗克两人在二十世纪初为量子力学拉开了帷幕并不过分,但具有相当讽刺意味的是,这两位伟大的量子论鼻祖在量子化这一概念上非常不彻底,仍然还抱着过去的麦克斯韦经典电磁理论和因果论不放,当然绊脚石算不上,但爱因斯坦的反对造成了物理界对量子论认知上的分裂,产生了极为深远的影响。

  • 上帝不掷骰子

量子论的战场最初是从光子开始的,但战线最长,涉及范围最广的却是在电子的战场上,玻尔在1913年提出了量子化并不彻底的原子模型,从此开始了玻尔和爱因斯坦之间将近半个世纪的恩恩怨怨,其中最著名的当然要算第五届索尔维会议中,爱因斯坦和玻尔之间那个著名的争吵“上帝不掷骰子”“爱因斯坦,你不要指挥上帝怎么做”。

背景:海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动方程的源头都是经典的哈密顿函数,但矩阵力学的出发点是从粒子的运动方程,薛定谔则是从波动方程出发,不过薛定谔与泡利以及约尔当都证明了两者在数学体系上是完全等价的!这预示着什么,还有矩阵力学古怪的乘法交换律以及波动方程中那个代表波函数的神秘希腊字母ψ,没有人知道是什么!

波恩以敏锐的直觉发现了ψ的意义,它代表一种随机,一种概率,ψ的平方代表了电子在某个地点出现的“概率”。波动方程或者说矩阵力学所能预言的只能是电子出现的概率,经典物理的因果论,决定论就此破产,物理进入了概率时代!

1927年3月海森堡发表了著名的不确定性原理,即:电子的位置和它的动量无法同时获知。但再经典也无法描述出电子的波粒二象性,不确定性原理只是从粒子的角度去考虑了电子的行为。

因此玻尔在1927年的科莫会议上提出了互补原理:电子的波和粒子在同一时刻是互斥的,但它们在更高的层次上是统一在一起的,电子的这一两面被纳入到一个整体中(当时仍不完备),但比较可惜的是爱因斯坦和薛定谔都未能出席:

玻尔在科莫会议上以《量子公设和原子论的最近发展》的演讲第一次阐述了波-粒的二象性,用互补原理详尽地阐明我们对待原子尺度世界的态度。他强调了观测的重要性,声称完全独立和绝对的测量是不存在的。

在第五届索尔维会议上玻尔正式提出了著名的互补原理,和波恩的概率解释,海森堡的不确定性原理,三者共同构成了量子论中著名的“哥本哈根诠释”核心。而爱因斯坦和玻尔的第一次正面交锋也在这里发生了。爱因斯坦认为ψ的几率分布暗示了一种超距作用,违背了相对论的信息传递不能超过光速的限制。爱因斯坦对因果论有着无比虔诚的信仰,他坚决不相信哥本哈根诠释中的三个核心描述,特别是概率解释,简直令人不可接受。

老头子不掷骰子,这是爱因斯坦在1926年写给波恩的信中如是说道,老头子是爱因斯坦对上帝的昵称,但此时他将这句话又掷地有声的对玻尔说道,但玻尔回敬毫不客气:“爱因斯坦,别去指挥上帝应该怎么做!”

爱因斯坦在反对量子论的道路上是鉴定的,他不遗余力的提出各种思想实验,在第六届索尔维会议上提出了神秘光箱实验,不过毫无悬念的被玻尔用爱因斯坦的广义相对论所击败,不死心的爱因斯坦又在1935年和同事波多尔斯基和罗森一起发表论文《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗?》提出了一个著名的思想实验,一个不稳定的大粒子衰变成两个关联的左右自旋的小粒子,根据守恒定律,那么在遥远宇宙的两端,它们将会出现超距联系作用,出现违背相对论原理的超光速信号传递。这就是著名EPR佯谬。

EPR佯谬

当然玻尔认为,在观测之前,它们仍然处在叠加状态,无论它们身处何处,因此在观测时候坍缩成左旋或者右旋根本不会出现所谓的瞬间传递信息的可能,

贝尔不等式

不过爱因斯坦并未就此就向玻尔屈服,但当时也无法验证,不过在1953年,英国物理学家D·玻姆同样认为哥本哈根诠释对物理实在的解释是不完备的,从而提出了隐变量理论,1965年贝尔在波姆的隐变量理论上提出了著名的贝尔不等式,但从1970年代至今,贝尔不等式给出的结果大都是否定的。

贝尔不等式实验验证示意图

如果各位有兴趣,也可以去了解下1982年巴黎奥赛光学研究所的阿斯派克特的实验,这个实验彻底证明了EPR只是一个佯谬,爱因斯坦彻底失败了。

当然爱因斯坦早已在1955年去世,不过爱因斯坦到死也未能改变他试图将物理回归经典面目的努力,这也许是他一辈子的遗憾,但这是量子物理的胜利。有很多人认为爱因斯坦是量子物理最大的绊脚石,但他的老对手玻尔并不怎么认为:爱因斯坦让量子论更加完备!

爱因斯坦错了吗?大家应该各有评判!

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1群走错方向的人,成就了量子力学的伟大,他们的核心是爱因斯坦

科学上的错误,尤其是理论物理学上的所谓错误,都是人类迈向伟大成功的阶梯。爱因斯坦犯的这些所谓错误,不仅不是人类的损失,而且在科学发展史上面有不可磨灭的贡献。

科学的本质是证伪主义,证伪的意思并不是一定要证明这个理论是错的,而是要由这个理论推导出一个可供鉴别真伪的结论。

》第1个提出证伪的是爱因斯坦,后来,“证伪主义”由爱因斯坦的粉丝,科学哲学家卡尔波普尔发扬光大,现在已经为所有的科学家所认同。

以爱因斯坦在科学界的地位和声望,他有一大帮粉丝和追随者。而且他这帮粉丝和追随者里面人才济济,个个都非同凡响。

在整个科学的发展史上,他们都在和爱因斯坦犯相同的“错误”,拼命的要证伪量子力学主流学派~哥本哈根学派对量子力学的“哥本哈根诠释”。

》爱因斯坦与哥本哈根学派的代表人物玻尔的争论,推动了量子力学发展,促成人们对世界本质的深刻认知。



根据量子力学的基本理论,微观世界的量子,在没有被观测的情况下,处于波函数状态,描述量子的各个物理参数是处于不确定的状态。一旦试图测量其中某一个参数,那么量子的波函数状态就会溃缩为粒子态,描述它的波函数状态的参数就无法被确定,这就是所谓的测不准原理。

爱因斯坦认为这种描述是不完备的,言下之意就是还有一些未知的物理参数没有被找到,所以才会是这样的结果。

但是玻尔等人认为,人类能够测量和感知只是物理现象,微观粒子的物理状态在被记录之前是不确定的!物理学是物理现象的科学,物理现象的规律就是物理学的规律,除此以外,这个世界再没有其他的物理规律。

这就是所谓的量子力学的哥本哈根诠释。

用爱因斯坦的话来说,哥本哈根诠释意味着,如果不看月亮,月亮的位置是无法被确定的。换句话说,月亮之所以在那个位置是因为我们看它,而不是因为万有引力定律的支配。这几乎和所有人的常识相违背。

以玻尔等人为代表的被称为哥本哈根学派,玻尔等人对量子力学的解释被称为哥本哈根诠释。

》以爱因斯坦为核心的学术群体,包括他的学生和粉丝群,都支持爱因斯坦的观点。



在爱因斯坦的思想被证伪之前,绝大多数普通人应该都是支持爱因斯坦的观点。

可能,甚至连玻尔等人,都对于哥本哈根诠释的实验验证心存疑虑。

验证哥本哈根诠释的人,全是反对哥本哈根诠释的人。然而最后实验的结果就是这么颠覆!

》在爱因斯坦的粉丝群里,除了卡尔.波普尔是个哲学家以外,艾米诺特、贝尔、慧勒等人都是了不起的科学家。而惠勒还是爱因斯坦的同事,也是大物理学家费曼的老师。

虽然波普尔没有具体参与爱因斯坦等人的科研活动,但是他继承了爱因斯坦对待科学的态度,发展了科学的证伪主义,使他在科学哲学史上有重要的地位。卡尔.波普尔还有一个在金融投机领域叱咤风云的学生~索罗斯。

这里要特别介绍一下爱因斯坦的最著名粉丝艾米.诺特,她也是爱因斯坦最欣赏的科学家。她是真正的科学女皇!她的理论指出了对称性和守恒性之间的本质关联:如果某一个数学结构可以在某种变换下保持形式上的不变,则必然有一个守恒的量与之对应。诺特定律阐述了对称性和守恒性之间的本质联系,等于一次性的证明了能量守恒、动量守恒、电荷守恒等所有守恒性背后的原因,一旦对称性发生破缺,物质的形态就会被改变。

除此以外,诺特定律还指出了我们获得物理规律的一种全新方法,把某种物理法则从广域对称性到局域对称性做一个变换,就可以得到一个更加强大的定律!广义相对论是狭义相对论在引力场局部的对称性变换;杨米尔斯理论是麦克斯韦方程的局部对称性变换。万物获得质量,是因为希格斯场的对称性破缺。假如有一天,我们被迫放弃某些物理法则,我们会先放弃量子力学法则甚至广义相对论,最后我们还得守住诺特定律。甚至乔治索罗斯在投机市场上用的,很可能是诺特定律。

诺特也没有直接参与爱因斯坦和玻尔的争议,但是她的理论,却成为了物理守恒性的基石。

约翰.斯图尔特.贝尔,很崇拜爱因斯坦!他立志于成为一个科学家,然后考上了一家技校!然后他又考上了一家大学,经过努力,在大学里他终于获得了一个博士学位。从学校里毕业以后,他从事的是加速器的设计与制造,这和他梦想当理论物理学家的初衷相去甚远。作为爱因斯坦的狂热粉丝,他只能用业余时间来研究理论物理。

》1935年爱因斯坦等人提出EPR佯谬,打算证明量子纠缠是不存在的,结果证伪了自己的观点。



然而爱因斯坦并不打算放弃,他提出了隐变量理论,认为还有未知的物理量没有被测量到,所以才会发生量子在远距离瞬间联动的现象。

1964年约翰.斯图尔特.贝尔提出了贝尔不等式,来验证爱因斯坦的隐变量理论。

1969年慧勒提出延迟选择实验,打算进一步验证哥本哈根诠释。

现在所有的实验结果,都证伪了爱因斯坦一方的观点:没有隐变量,微观粒子在被观测之前没有确定的运行轨迹。

》爱因斯坦自己证明了自己的观点错误,却是人类科学的伟大进步。

民科和严肃科学的区别就在于:民科是不愿意被证伪的,他们只想证明自己是正确的。

爱因斯坦独立完成了经典物理学的一半,也用自己的错误观点成就了量子力学的一半。

慧勒提出的延迟选择实验,证实了量子世界的诡异:微观粒子的性质可以在诞生以后再进行选择,人类的性别可以在公安局登记的时候再决定。

贝尔提出的贝尔不等式检验,成了现代量子通信的教父理论。

一群走错方向的人,成就了量子力学的伟大,而这群人的总指挥正是爱因斯坦!

让我们来记住他们:阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基、纳森·罗森、约翰·斯图尔特·贝尔、约翰·阿奇博尔德·惠勒。

当人类群星闪耀之时,即使有些人走在了错误的方向,但是他们一样照亮了通往真理大门的道路!

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爱因斯坦是伟大的科学家,相对论是他的巨著,成绩巨大,但错误也不少,如:他的时空观是错误的,认为“时间与空间是只是人们的一种幻觉”、“物质存在则时空存在,物质不存在则时空不存在”。否定”绝对时间、绝对空间“,没有”绝对“,就没有”相对“,那么”相对时间、相对空间“还存在否?解释不了”宇宙物质的高速度运动(自旋与线性)“,便提出”弯曲时空“概念,认为宇宙物质沿时空弯曲做高速度运动还,这是错误的。还有------。