102年前預言, 直到2017年才被認可! 諾貝爾獎致敬愛因斯坦

20世紀，是一個百家爭鳴、百花齊放的大爭之世。不僅是世界格局發生了千年未有之大變局，學術界的格局也是天翻地覆，後起之秀如過江之鯽，各種各樣的學說理論交相輝映。熱力學第二定律、麥克斯韋方程、普朗克常數、光電子效應等等影響物理世界程序的理論假說層出不窮，天才井噴式的爆發。

Tips：物理學physics，研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律，因此成為其他各自然科學學科的研究基礎。

其中最引人矚目的還是阿爾伯特·

愛因斯坦

，他是20世紀物理學家中的明星，是當代最負盛名、最具影響力的物理學家。1905年他先後發表了《論動體的電動力學》等5篇劃時代論文，從此一鳴驚人，這一年也被“愛因斯坦奇蹟年”。

愛因斯坦開創了極具開創性和極具前瞻性的相對論學說，將物理學從慣性系（由勻速運動的物體組成的系統）引申到日常生活的非慣性系系統（相對慣性系做加速運動的物體），顛覆了前人的理論。對物理學愛因斯坦始終抱以極大的熱誠，他曾說過：“科學是永無止境的，它是一個永恆之謎。”

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Tips：愛因斯坦開創了現代科學技術新紀元，被公認為是繼伽利略、牛頓之後最偉大的物理學家，也是批判學派科學哲學思想之集大成者和發揚光大者。

2017年，由愛因斯坦預測的

引力波

被證實，3位發現引力波的美國

科學家

被授予物理學界的最高榮譽諾貝爾物理學獎。這是相對論遲來102年的獎章，是諾獎對愛因斯坦的致敬。

愛因斯坦的預言

愛因斯坦出生於德國烏爾姆市一個猶太人家庭，少年時期沉迷數學與哲學，最愛看康德的著作，是一個不折不扣的文藝青年。大學時期，在瑞士聯邦理工學院學習時，愛因斯坦開始思考光速的學說，並對牛頓經典力學體系下存在的矛盾感到困惑。

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Tips：瑞士聯邦理工學院坐落於瑞士聯邦洛桑，最初可以追溯到1853年建立的私立學校，後正式成立於1969年。

1905年，愛因斯坦這位註定登上現代物力學頂端的科學家，展現了他獨特的、天才般的學術思想和能力。這一年，他連續發表了5篇劃時代的論文，其中兩篇論文擁有極高的知名度。一篇提出了光量子假說，解決了光電效應問題；一篇開創性地提出了狹義相對論，拉開了物理學新紀元的大幕。但是當時的人們對此並不感興趣，愛因斯坦仍舊當著伯爾尼專業局的小職員。

Tips：光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象。在高於某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子吸收能量後逸出而形成電流，即光生電。

直到德國科學巨匠、量子學說的創始人馬克思·普朗克發現了愛因斯坦的論文，他認為愛因斯坦是匹千里馬，他的學說會開創出一個新的世代。在普朗克這位伯樂不遺餘力地推動和宣傳下，愛因斯坦在學界中有了一席之地。普朗克私下還多次邀請愛因斯坦回到德國定居，並擔任柏林洪堡大學的教授。

1913年，愛因斯坦應邀回到德國擔任柏林洪堡大學教授，並擔任新成立的威廉皇帝物理研究所所長。愛因斯坦在柏林度過了人生中最難忘的19年歲月，在這裡發表了現代物理學的鴻篇鉅著《

廣義相對論

的基礎》，完美的總結了廣義相對論的所有問題，整個物理學界因此喧囂不止。

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Tips：量子力學為物理學理論，是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論。

1905年愛因斯坦首次提出相對論的概念，由於當時的理論只能解釋慣性系統下的物體運動，所以被命名為《狹義相對論》。狹義相對論闡述了相對性原理，並提出了光速不變的假設和著名的質能方程E=mc ^2（原子物理的依據）。但因其範圍的侷限性，所以愛因斯坦並不滿意這一個“孩子”，於是對它進行了修剪和增補，終於在10年後新生的、完美的相對論體系誕生了。

廣義相對論不僅將理論範圍拓展到非慣性系還完美的解釋了引力的本質。此外，愛因斯坦還預言了引力波的存在，並在1918年寫了一份名為《論引力波》的論文。

Tips：原子物理學是研究原子的結構、運動規律及相互作用的物理學分支。它主要研究：原子的電子結構；原子光譜；原子之間或與其他物質的碰撞過程和相互作用。

廣義相對論的橫空出世，顛覆了牛頓經典力學體系，打破了牛頓的絕對空間、絕對時間的定義。這個理論就像是黑夜中的閃電驚醒了無數的物理學家，但是由於廣義相對論引入了許多全新的概念，大部分的科學家難以理解。而且相比於這個新生的、孤單的理論，牛頓力學顯然更為根深樹大枝繁葉茂。1919年，恰逢有日全食星象發生，愛因斯坦就說如果能夠在日全食中看到被太陽遮擋的天體就證明廣義相對論是對的，反之就是錯誤的。

因為太陽這個巨大的天體彎曲了周圍的空間，使被遮擋天體的光線拐了個彎，而不是做直線運動。於是全世界的天文學家都行動了起來，終於有兩支觀測隊觀測到了愛因斯坦所說的光線，證實了廣義相對論的引力透鏡效應。這也證明牛頓的經典力學體系存在錯誤，當時英國的泰晤士報頭條上就寫著“牛頓錯了！”。

Tips：牛頓第一定律一般指牛頓第一運動定律，又稱慣性定律。常見的完整表述：任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。

不僅如此，愛因斯坦還利用相對論證明了水星近日點的進動，廣義相對論的正確性的由此得到了廣泛認同。但是廣義相對論中還有一個重要的預言遲遲未能證實，它就是引力波，引力波不能證實就代表著廣義相對論的地基並不穩固，因此愛因斯坦終生未能以相對論獲獎，而是因為光電效應而獲得諾貝爾物理學獎。

遲來的102年的致敬

在廣義相對論中，引力被認為是一種時空彎曲的效應，是由於天體的巨大質量引起。自從廣義相對論被廣泛認可，大眾就開始尋找廣義相對論的最後一塊“磚”引力波。由於引力波十分微小，就像是一塊石頭投進平靜的水中產生的點點漣漪，因此也被稱為“時空中的漣漪”。引力波不像是機械波傳播需要介質，只是物質和能量劇烈變化和運動產生的物質波，所以就算有引力波產生人們也很難發現。

Tips：物質波又叫德布羅意波，即函式為機率波，它的模方指空間中某點某時刻可能出現的機率密度，其中機率密度的大小受波動規律的支配。

直到2015年美國ＬＩＧＯ專案發現了兩個黑洞合併產生的引力波，這段引力波訊號在儀器中引起的變化比原子核的變化小了1萬倍，如此微弱的訊號無怪乎直到100年後才有人觀測到。那如此微小的波科學家們是如何探測到的呢？

其實對引力波的探測早在上世紀50年代就開始了，當時的科學家韋伯率先進行了相關的試驗。韋伯自制了一根2米長的共振棒探測器來探測引力波的存在，但是由於探測棒太短導致試驗失敗，但是韋伯的試驗卻開啟了尋找引力波的盲盒，科學家們前赴後繼的投身到這項事業當時中。在韋伯之後人們意識到共振棒探測器的缺點，另外設計了一套方案，就是鐳射干涉儀探測方案。

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Tips：探測器detector，是觀察 、記錄粒子的裝置 ，核物理和粒子物理實驗研究中不可缺少的裝置。

相比共振棒探測器，鐳射干涉儀的探測訊號不再侷限於對應的引力波訊號，探測範圍擴大了很多。另一個則是，鐳射干涉儀的臂長可以做得很長，更易探測到引力波。

2015年探測到引力波的專案，用的就是鐳射干涉儀裝置。他們兩個把鐳射干涉儀裝置，分別安裝在相距3000公里的美國路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市。這兩個裝置都裝有長度達到4公里的L型長臂，看起來像是螃蟹長長的蟹腿，機械感十足。這些“蟹腿”是為了放大引力波的變化，易於觀測而專門設計的。因為當引力波從幾十或幾百光年遠的宇宙傳到地球時，在實驗裝置中所引起的變化就相當於原子核變化的十萬分之一。如此微小的變化，也只有用最精密先進的儀器才能觀察到。

Tips：鐳射干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來作線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測量工作，並可作為精密工具機或測量儀器的校正工作。

2015年9月，LIGO專案觀測到了來自於13億年前一個雙黑系統合併產生的引力波訊號，隨後在2015年12月又一次觀測到引力波訊號。

2017年，諾貝爾物理學獎授予了這3位主導觀測專案的科學家，時隔102年愛因斯坦的預言終於實現。諾獎的授予不僅是對3位科學家辛苦工作的肯定，更是向現代物理學的奠基者愛因斯坦授予遲來的獎章。

引力波有什麼作用

人們經過1個世紀的追尋，才找到了引力波，那麼引力波有什麼作用呢？首先，引力波的存在補全了愛因斯坦的廣義相對論，證實了他的推測，是本世紀物理的又一大突破。

Tips：引力波是空彎曲中的漣漪，透過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。換句話說，引力波是物質和能量的劇烈運動和變化所產生的一種物質波。

第二，引力波證明了黑洞的存在。根據2015年的觀測甚至可以推斷出兩個黑洞合併前的質量分別相當於36個太陽質量和29個太陽質量，而合併後形成的黑洞的總質量約等於62個太陽質量。其次因為引力波與聲波類似，都有波峰和波谷，可以將引力波轉換成聲波播放出來。透過引力波來探測宇宙中發生的諸如和黑洞合併的大事件。

第三，由於引力波不同於電磁波，引力波不需要任何的介質來傳播，也不會產生任何的電磁輻射，所以引力波所攜帶的資訊都是最原始的沒有被破過的第一手資料，對研究宇宙的起源很有意義。

Tips：黑洞，黑洞的引力極其強大，使得視界內的逃逸速度大於光速。故而，黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體。

再次，因為能夠不受阻擋地穿過任何行進中的天體，以前電磁波不敢去的地方它都敢去，所以這些微小的波能夠提供宇宙中類似黑洞、蟲洞、超新星爆炸之類的天體資訊，而這些資訊都是傳統光學望遠鏡和射電望遠鏡觀測到的。引力波能夠讓我們從另一個角度來了解宇宙中的大小事。

而且引力波的發現，將開啟物理學界和天文學界對宇宙觀測的大門，人類不必透過飛上太空在地面就可以接收到來自宇宙的親切“問候”。而且由於引力波不受阻礙可以通行全宇宙的特殊功能，宇宙通訊功能也不再是空中樓閣，科幻小說中的設想也許在未來的某一天能夠實現。

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Tips：電磁波是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性，其粒子形態稱為光子，電磁波與光子不是非黑即白的關係，而是根據實際研究的不同，其性質所體現出的兩個側面。

目前，全世界的引力波探測實驗室都如雨後春筍般成長起來。義大利臂長為3000米的VIRGO，德國臂長為600米的GEO，日本東京國家天文臺臂長為300米的TAMA300。

Tips：宇宙飛船可分為一次性使用與可重複使用兩種型別。用運載火箭把飛船送入地球衛星軌道執行，然後再入大氣層。

我國也有3個引力波觀測專案，分別是中科院領導的太極計劃和 “阿里實驗計劃”，以及中山大學領導的“天琴計劃”。雖然目前這些計劃都在初研中，但是相信過不了多久中國人的名字就會出現在國際上。

結語：

相隔百年之後愛因斯坦的學說終於獲得了屬於自己的榮譽，物理學的最高榮譽諾貝爾物理學獎頒發給證實了引力波存在的科學家，頒發給了廣義相對論，這不僅僅是對這3位科學家的褒獎更是對愛因斯坦的致敬。

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Tips：蟲洞是1916年由奧地利物理學家路德維希·弗萊姆首次提出的概念，1930年由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設的，認為透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或者做時間旅行。

現在科學家正在緊鑼密鼓的研究愛因斯坦的下一個預言“蟲洞“，在科幻小說中它常被認為是時空穿梭的通道，是聯絡兩個世界的節點，是穿越的首選。如果證實了它那麼在未來星際穿越就不再是電影中狂想。

科學的探索是永無止境的，人類應當懷抱著萬分的渴求之心去追逐新的技術、新的理論、新的概念，才能登上高峰看見層林盡染的風景。