“預(yù)言家”，請睜眼

文 /孫正凡（天體物理學(xué)博士、科普作家）

科學(xué)并非恒定的真理。一個(gè)科學(xué)理論的成立，不但要求其能夠解釋（兼容）過去觀察到的自然現(xiàn)象，還必須給出科學(xué)預(yù)言，以便后人驗(yàn)證理論的真?zhèn)巍?/p>

比如牛頓物理學(xué)的一次重大驗(yàn)證，是哈雷彗星的回歸。在中國古代天文學(xué)記錄中，春秋時(shí)期以來的29次哈雷彗星回歸都有記錄，但是沒有人能辨認(rèn)出它們屬于同一顆彗星。直到英國天文學(xué)家哈雷借助牛頓力學(xué)定律，計(jì)算了各大行星對彗星軌道的影響，才辨認(rèn)出這顆彗星，預(yù)言了它下次回歸的時(shí)間，并取得了成功，牛頓力學(xué)定律因此得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

作為一個(gè)善于思考、愛開“腦洞”的物理學(xué)家，愛因斯坦深刻地總結(jié)了科學(xué)理論的規(guī)律，在百年前他便預(yù)言激光、時(shí)空彎曲、量子糾纏、引力波……隨著科學(xué)的發(fā)展，這些預(yù)言有的已經(jīng)證實(shí)，有的仍待驗(yàn)證。

左圖為1919年11月9日《紐約時(shí)報(bào)》頭條新聞的標(biāo)題，右圖為1919年11月22日《倫敦新聞畫報(bào)》的整版報(bào)道

太陽附近星光偏折，使愛因斯坦成為新偶像

愛因斯坦于1916年發(fā)表了廣義相對論，他認(rèn)為由于大質(zhì)量天體的存在，空間不是平直的，而是彎曲的。他預(yù)言經(jīng)過太陽附近的星光路徑會(huì)被彎曲，從而看上去位置有所移動(dòng)。按照牛頓的理論，光線經(jīng)過太陽邊緣時(shí)，彎曲角度約為0.87角秒（1角秒是1度的1/3600），而廣義相對論給出的結(jié)果則是1.75角秒，比牛頓理論的預(yù)言要大1倍。

英國物理學(xué)家愛丁頓敏銳地認(rèn)識到，在發(fā)生日全食的時(shí)候，太陽光完全被遮擋，觀測太陽附近的星光偏折就可以用來檢驗(yàn)愛因斯坦的預(yù)言。1919年5月29日的日全食符合進(jìn)行這個(gè)檢驗(yàn)的理想條件，不僅日全食時(shí)間持續(xù)長達(dá)6分鐘，而且此時(shí)太陽正好位于七姐妹星團(tuán)前面，這個(gè)星團(tuán)的恒星相當(dāng)明亮。

在“一戰(zhàn)”結(jié)束之后，1919年，英國派出了兩支探險(xiǎn)隊(duì)，分別前往巴西和非洲幾內(nèi)亞灣觀測了這次日全食，最終在11月6日給出了偏離1.64角秒的結(jié)果，證實(shí)了廣義相對論的正確性。

1919年11月7日，英國《泰晤士報(bào)》在頭版頭條報(bào)道了這個(gè)消息，標(biāo)題是《科學(xué)革命：宇宙新理論！牛頓思想被推翻！》，不修邊幅的愛因斯坦教授立刻成為媒體爭相報(bào)道的對象，變成了家喻戶曉的科學(xué)明星。

100年后，找到了引力波

在廣義相對論中，時(shí)間和空間既是舞臺，也是演員。早在1916年6月，愛因斯坦在一篇論文中提出了引力波的存在。所謂引力波，可以視為時(shí)空結(jié)構(gòu)上的擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)表現(xiàn)為以光速傳播的波。也就是說，在廣義相對論中，連時(shí)空舞臺也不甘寂寞，會(huì)直接發(fā)生變化。

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，要產(chǎn)生可以探測的引力波，需要致密天體做非中心對稱運(yùn)動(dòng)，比如黑洞、中子星之類天體進(jìn)行碰撞。1974年，美國兩位天文學(xué)家胡爾斯和泰勒發(fā)現(xiàn)脈沖雙星PSR1913＋16（兩顆相互繞轉(zhuǎn)的中子星），他們進(jìn)行了長達(dá)20年的觀測，發(fā)現(xiàn)雙星繞轉(zhuǎn)能量的損失符合引力波的特征，這也是人類第一次得到引力波存在的間接性證據(jù)。

2017年8月17日，激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測到了一次引力波事件，幾小時(shí)后歐洲南方天文臺（ESO）在茫茫太空中找到了引力波來源，這是1.3億光年外兩顆中子星碰撞合并而發(fā)生的大爆炸，爆炸激蕩起了時(shí)空漣漪，這是人類第一次親眼“看見”引力波事件，包括我國在內(nèi)的多國科學(xué)團(tuán)隊(duì)為這一歷史性時(shí)刻做出了貢獻(xiàn)。下圖為ESO根據(jù)觀測資料制作的模擬圖。左圖為哈勃望遠(yuǎn)鏡捕捉到的該中子星碰撞后由明亮逐漸暗淡的過程。圖/ES O

尋找引力波的征程，從1960年就開始了，但科學(xué)家們在50多年里屢戰(zhàn)屢敗，直到2015年9月14日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）合作組才探測到了第一個(gè)引力波信號。LIGO實(shí)驗(yàn)室采用了長達(dá)4公里的激光干涉儀（別忘了，激光也是愛因斯坦的科學(xué)預(yù)言），2臺同樣的設(shè)備距離3002公里，成功揭示了為什么引力波如此難以探測。引力波源是2個(gè)黑洞，質(zhì)量分別約為太陽質(zhì)量的29和36倍，合并之后形成了質(zhì)量約為太陽質(zhì)量62倍的黑洞。它們在不到1秒的時(shí)間里釋放了相當(dāng)于3倍太陽質(zhì)量的能量。但經(jīng)過10億光年之后，到達(dá)地球的引力波振幅僅僅只有10-21。也就是說，在LIGO中相距4公里的鏡子，其相對距離只是變化了4×10-18米左右，是原子核尺度的1/1000。

引力波的發(fā)現(xiàn)，為我們探測宇宙打開了新的窗口，尤其是在探測黑洞、極早期宇宙方面，這可能是唯一的手段。

量子糾纏，愛因斯坦推導(dǎo)出的“錯(cuò)誤”

量子力學(xué)提供了許多反常識的認(rèn)識，丹麥物理學(xué)家玻爾建立的哥本哈根學(xué)派，將量子行為解釋為隨機(jī)性，比如電子在原子核周圍的分布是不確定的，它可能存在于任何地方。愛因斯坦對量子力學(xué)的建立做出了奠基性的貢獻(xiàn)，光子、波粒二象性等概念都是他提出來的。但是他不能接受隨機(jī)性的解釋，用他的話說，“上帝是不擲骰子的”。為了反駁玻爾的解釋，愛因斯坦采用了“推謬法”，即假設(shè)對方是正確的，推導(dǎo)出一個(gè)荒謬的結(jié)論，從而證明對方是錯(cuò)誤的。這個(gè)結(jié)論就是“量子糾纏”。

愛因斯坦認(rèn)為，如果量子力學(xué)是對的話，那么當(dāng)我們能夠把兩個(gè)粒子分開，分得非常遠(yuǎn)時(shí)，改變一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)也必須立即發(fā)生相應(yīng)的改變。但是，由于光速是最快的，任何光子想在兩個(gè)粒子之間傳遞信息都需要很長時(shí)間。同時(shí)性和傳遞信息所需的時(shí)間，是一對悖論，這是不可能同時(shí)成立的，所以玻爾錯(cuò)了。有意思的是，玻爾經(jīng)過思考，認(rèn)為愛因斯坦的推導(dǎo)沒有任何問題，唯一的問題是，這個(gè)同時(shí)性確實(shí)不需要時(shí)間。也就是說，愛因斯坦推出的“量子糾纏”現(xiàn)象，應(yīng)該是真實(shí)存在的。

從20世紀(jì)60年代開始，科學(xué)家們逐漸找到方法來實(shí)現(xiàn)糾纏態(tài)的粒子對。在20世紀(jì)與21世紀(jì)之交，基于量子糾纏思想的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)發(fā)展成了量子保密通信等新興技術(shù)。玻爾、愛因斯坦等人于100年前在紙面上的爭論，正發(fā)展成關(guān)乎世界未來的事業(yè)。

我國著名物理學(xué)家、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士與“墨子號”量子衛(wèi)星模型合影 圖/人民視覺

愛因斯坦曾在他的科普名著《物理學(xué)的進(jìn)化》中，將科學(xué)比作一個(gè)沒有寫完的偵探故事，在我們偵察自然界秘密的過程中，通過直接觀察得到的直覺結(jié)論未必是可靠的，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的方向。

運(yùn)用科學(xué)規(guī)律和數(shù)學(xué)語言，科學(xué)家能夠預(yù)言人們從未見過甚至從未發(fā)生過的事情。這種預(yù)見，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前于科學(xué)家自身所處的時(shí)代。牛頓曾說，我們要“站在巨人的肩膀上”。在科學(xué)領(lǐng)域，人們也不承認(rèn)任何人具有不可置疑的權(quán)威。我們在驗(yàn)證愛因斯坦的預(yù)言的時(shí)候，實(shí)際上也是在檢驗(yàn)他的理論究竟對不對。借助這樣的科學(xué)精神，我們才能不斷前進(jìn)、創(chuàng)新，錨定美好未來。

2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號”量子衛(wèi)星在世界上首先實(shí)現(xiàn)了千公里級的量子糾纏分發(fā)，國際權(quán)威期刊《科學(xué)》以封面論文的形式刊發(fā)了這一成果