人類認識宇宙過程中的四次飛躍 | 中國科學院物理研究所“科學和咖啡”主題討論側記

e_shannon 2021-06-14

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本文選自《物理》2021年第5期

“我們對群星如斯熱愛，

絲毫不懼黑暗之夜。”

——卡爾·薩根

李永樂老師主題報告現場

咖啡作為一種神奇的飲料在一千多年前開始在全世界風靡，目前已成為全球貿易額第二高的商品，它雖然不能為我們提供很多的能量，但是卻充滿魅力和魔力。閑暇時間能與好友約在咖啡館里一起談天說地真是一件美妙又愜意的事情，如果聊天的參與者又恰好是幾位科學家，那科學的重大發現很有可能就在這電光火石的思維碰撞間誕生了。

2021年4月28日晚，由科技部人才與科普司、中國科學院科學傳播局、北京科學技術委員會支持，中國科學院物理研究所承辦的第49期科學咖啡館活動如期而至。活動由科技部人才與科普司二級巡視員邱成利主持，來自中國人民大學附屬中學的李永樂老師受邀擔任主講人。李永樂以“科學和咖啡”為題，講述了咖啡館在科學探索的過程中扮演的重要角色，并回顧了人類認識宇宙過程中的四次飛躍。

地球是圓的

上古時代人們認為地球是平的，甚至在古代文明中世界被想象成是一個被海洋所圍繞的圓盤，天黑之后太陽會去高山后的海洋上休息。直到公元前4世紀，古希臘科學家、哲學家和思想家亞里士多德對地平說產生了質疑，善于觀察和思考的他通過觀看月食過程中地球投在月亮上的影子總是圓形，越靠近赤道北極星越靠近地平線，以及遠處航行的船在靠近時先看到桅桿再看到船身這三個證據證明了地球是球體。由此，亞里士多德提出了自己的宇宙模型：太陽、月亮、行星和恒星都繞著地球以圓軌道運動。

托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話

數學家、天文學家托勒密經過更細致的觀察，在亞里士多德宇宙模型的基礎上，編制出當時最先進的模型：地球處于宇宙正中心，有8個天球包圍著它。托勒密的模型，正如他前輩的宇宙模型一樣主張地心說，并為世人所普遍接受，直到16世紀數學家和天文學家哥白尼向世界宣布：太陽才是宇宙的中心，這個不一樣的聲音打破了地心說長達1500年的統治，卻著實令人難以接受。作為哥白尼的信徒、日心說的支持者，意大利科學家伽利略為讓更多人接受日心說做了很多努力，他于1630年寫成的《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》用通俗易懂的語言講述了3個人在4天中討論了日月星辰、地球自轉、地球是不是圍繞太陽旋轉以及潮汐是如何形成的等問題，書中間接表達出伽利略對日心說的崇拜，一經出版便發售一空，這也使得更多的人越來越相信日心說。

窺探上帝創造世界的奧秘

伽利略去世一年后，歷史上最偉大的物理學家牛頓誕生了。1687年，45歲的牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，闡述了萬有引力定律和三大運動定律，此書奠定了世界物理和天文學的基礎，但這一重要著作能夠出版還緣起于一個在咖啡館里發生的故事。1684年，英國皇家學會實驗室主任胡克、格林威治天文臺臺長哈雷以及科學家雷恩在一起喝咖啡，有人提出：為什么天體運動是橢圓呢？胡克表示這是因為天體之間有引力，引力與距離的平方成反比。但為什么有引力就能導致橢圓運動呢？胡克沒能給出從平方反比定律到橢圓軌道的推導證明。嚴謹認真的哈雷為了一探究竟，敲響了當時世界上最一流的數學家牛頓的大門，這次訪談也將生活近乎隱士的牛頓拉回到歷史的舞臺上。幾天后，牛頓寄給哈雷一份9頁的手稿，其中就包含了《自然哲學的數學原理》的主題思想。拿到手稿后的哈雷震驚之余，鼓勵牛頓將這些內容撰寫成書。3年后，在哈雷的幫助下，《自然哲學的數學原理》得以出版，人們驚訝地發現樹上的蘋果和天上的行星滿足同樣的物理規律，而人類仿佛已經窺探到了上帝創造世界的奧秘。

接近宇宙的真相

在科學的發展過程中，人們逐漸發現牛頓定律只有在一些特殊情況下才能近似成立，如果在原子尺度、接近光速或者在巨大質量天體附近，物體的運動不符合牛頓定律，這就促使了物理學的新分支——相對論的誕生。

愛因斯坦在1905年連續發表了多篇論文闡述有關布朗運動、光電效應、狹義相對論、質能方程等方面的觀點，人們把1905年稱為愛因斯坦奇跡年。但在1905年之前，愛因斯坦一直是個在科學界默默無聞的年輕人，究竟是什么使得他的研究在這一年有了井噴式的發展？也許和咖啡也有著密不可分的關聯。1902年，愛因斯坦在撰寫自己博士論文的同時為了生計在報紙上刊登了家教廣告，學生索洛文和哈比克特發現在參加完愛因斯坦的收費課程后，可以隨心所欲地與他討論物理和哲學，后來聯邦郵電局的沙旺和瑞士專利局的貝索也加入了熱烈的課后討論。為了不影響愛因斯坦家人的休息，幾位年輕人來到一個叫做奧林匹亞的咖啡館，并為他們的小團體起了一個名字——奧林匹亞科學院。他們會在咖啡館里先吃一點東西，然后閱讀一些與物理、數學、哲學有關的書籍并進行討論。他們讀過休謨、柏拉圖、萊布尼茨、龐加萊的經典著作。他們邊讀邊進行討論，這些討論幾乎占據了他們所有的業余時間，有時甚至會談論一整個通宵。愛因斯坦在這些討論中，一步步發展了自己的各種理論。在小團體中，貝索對愛因斯坦的啟發尤其重要。1905年5月，貝索和愛因斯坦討論起時空的概念，愛因斯坦又想起了困擾自己已經十年之久的問題：光的參考系到底是什么？貝索為愛因斯坦提供了一個新的思路，即我們必須要思考時間的流逝速度是不是相同的或者兩個具有相對運動的人所感受到的同時是不是一樣的。咖啡館里的一場對話就這樣碰撞出了火花，愛因斯坦終于明白：時間也好，空間也好，都是與運動緊密相關的，不同的運動物體所感受到的時空是不一樣的。僅僅5周之后，愛因斯坦就將其寫成了文章《論動體的電動力學》，這篇文章被后人起了一個響亮的名字——狹義相對論。愛因斯坦沒有就此止步，10年后又提出了廣義相對論，人們以廣義相對論為基礎，提出了大爆炸、宇宙膨脹、黑洞等一系列理論。人類終于比歷史上任何時刻都更接近宇宙的真相。

李永樂回顧了人類對宇宙的認識過程，從最初亞里士多德、托勒密等先賢智者觀察宇宙，提出猜想，到伽利略做出各種物理實驗，主動研究宇宙，再到牛頓通過數學理論解釋現象，愛因斯坦突破直觀感受的屏障，從更加根本的角度理解世界，每一次都是人類思想的飛躍。在后兩次飛躍中，咖啡館似乎成了科學家們的精神圣地。在咖啡館里，他們可以隨心所欲地討論所有的問題，無需擔心像學術報告中出錯一樣被人嘲笑。有價值的科學想法及時得到了碰撞，在反復的交鋒中綻放出奇異的光彩。