愛因斯坦帶來什麼樣的世界?

作者 | 發布日期 2021 年 10 月 05 日 9:26 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


如果沒有愛因斯坦,如今這個世界會少了些什麼呢?我們將不知道黑洞的存在、不會找到重力波、不會進一步促成發明原子彈(和理論無太大關係)及當代各種雷射應用。

改變對時空的看法

做為讓二十世紀翻天覆地的人物,愛因斯坦的思想完全改變了當時人們看待宇宙及與宇宙互動的方式。在愛因斯坦之前,人類認為時間與空間各自獨立,時間不會隨任何外部作用或觀察者而改變;但愛因斯坦提出時間與空間是相對的,兩者都會隨著外部作用或觀察者而改變,為物理學界引進「同時的相對性」、「四維時空」、「彎曲時空」等全新概念。

當時,相信空間和時間完全分開的一個原因是因為人們用不同單位來衡量它們,例如公里和秒。但愛因斯坦在狹義相對論中展示了時間與空間如何互換,比如光速每秒約走 300,000 公里。

《Live Science》報導,狹義相對論最著名的結論是宇宙中沒有任何東西可以超越光速,隨著事物逐漸接近光速,一切將開始變得非常奇怪,比如假如我們看到一艘以 80% 光速飛行的宇宙飛船,它看起來會比靜止時短 40%。

狹義相對論另外一個著名方程為 E=mc²,簡單而明瞭地指出質量(m) 與能量(E)之等效性。

現代雷射技術的墊腳石

雖然雷射技術與愛因斯坦無關,但是愛因斯坦的理論使它們成為可能。根據美國物理學會,雷射「LASER」一詞於 1959 年誕生,代表受激發射的光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),而受激發射(Stimulated emission)又是愛因斯坦在 40 多年前提出的概念:1917 年,愛因斯坦寫了一篇關於輻射量子理論的論文,其中描述了穿過物質的光子如何激發更多光子發射。

愛因斯坦意識到新產生的光子與原始光子會以相同方向、相同頻率與相位傳播,隨著越來越多相同光子產生,會引起級聯效應(Cascade effect),雖然愛因斯坦沒有進一步深究這個想法,但其他科學家的腳步也跟上來了,如今雷射相關應用在條碼掃描儀、印表機、手術治療、光譜學、指紋鑑定、工業切割等各領域大放異彩。

預測宇宙中有黑洞存在

愛因斯坦的廣義相對論則對天體物理學影響深遠,其方程解指向宇宙存在一種質量龐然大物:黑洞,這些大質量物體能扭曲時空本身結構,還能作為重力透鏡效應扭曲、放大更遠方的光源。

從 E=mc² 到原子彈

質能守恆定律與原子彈兩者有聯繫,但相當微妙,E=mc² 方程只是讓科學家相信原子彈研發成功機率很大的背後理論基礎。原子彈是原子核在核分裂瞬間釋放巨大能量,但背後核分裂物理學與一系列製造、驗證、假設都與愛因斯坦無太大關聯。
或者說,就算沒有相對論,倚賴放射性元素與衰變原理的原子彈也有問世一天,只是科學家可能會困惑為什麼一枚原子彈可以帶來如此可怕的破壞力。

然而,世上第一顆原子彈又確實與愛因斯坦有很大關係:晚年的愛因斯坦在物理學界相當活躍,1939 年,他與匈牙利裔物理學家利奧·西拉德、尤金·維格納合寫一封給美國富蘭克林·羅斯福總統的信,警告鈾可用於製造原子彈,強烈建議美國政府大量囤積鈾礦,原意是要美國警惕德國納粹可能研發此類核武器、將為世界和平帶來極大隱患。

結果美國聽完後,啟動了曼哈頓計畫,研發出原子彈,並拿去炸日本了。

事後,愛因斯坦在接受《新聞周刊》採訪時曾說道,如果他能知道德國人永遠不會成功研製出原子彈,那麼他也永遠不會抬起手指寫下那封信。美國在日本廣島、長崎投下的那兩顆原子彈,造成數十萬日本平民一夕喪生。

▲ 原子彈引爆的樣子。(Source:pixabay

時空的漣漪

在愛因斯坦去世後,他的理論仍繼續在 21 世紀帶來重要發現,帶質量物體呈加速度運動時,會在時空產生漣漪的重力波,2016 年,LIGO 科學團隊與處女座干涉儀團隊宣布人類於 2015 年 9 月 14 日首次直接觀察到重力波,成為天文學家另一種觀察宇宙的新工具,包括追蹤黑洞合併、中子星合併等罕見事件。

(首圖來源:pixabay