矽赫科技 | 穿越时空的涟漪,追溯他们的引力

3.14注定是个特殊的日子。


"Das ewige Geheimnis der Welt ist ihre Verständlichkeit."

“世界永恒的奥秘在于其可理解性。”


一百四十年前,他来了。



阿尔伯特·爱因斯坦 ( Albert Einstein 1879.03.14-1955.04.18 ) ,20世纪最伟大的理论物理学家之一,称他为20世纪的奇迹也毫不为过。他几乎以一己之力,创立了现代物理学两大支柱之一的相对论,同时为另一支柱量子力学奠定了基础。

1905年,26岁的爱因斯坦接连发表了4篇论文——


►《关于光的产生和转变的一个启发性观点》

提出了光量子假说,为光电效应提出了正确的理论解释,同时直接构成了旧量子论,并推动了量子力学的诞生。


►《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动》

解释了“布朗运动”,证实了原子的物理实在性,并为统计物理学、随机过程理论的发展提供了理论基础。


►《论运动物体的电动力学》

完整提出了惊世骇俗的狭义相对论,突破牛顿力学时空观,自此时间与空间被重新定义


►《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》

提出了著名的质能等价公式E = mc²,表述物体质量与能量是能够相互转换的,打破了牛顿系统中静止物体不存在能量的观点。


这4篇论文,其中任何一篇单独提出来,都足以造成物理学界的地震。而年轻的爱因斯坦一口气在物理学的4个不同领域提出了突破性的见地,由此引发近代物理学革命,直接推动了近代物理向现代物理学的跨越。这一年,也因此被称为“爱因斯坦奇迹年”。



"My goal is simple. It is a complete understanding of the universe, why it is as it is and why it exists at all."

“我的目标很简单,就是完全理解宇宙——它为何如此,它为何存在。”


一年前,他走了。



斯蒂芬·威廉·霍金 ( Stephen William Hawking,1942.01.08-2018.03.14 ) ,被誉为继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家。

冥冥中,似乎注定了霍金与爱因斯坦有着一丝奇妙的联系。


小时候,由于对物理和天文学痴迷,中学时的霍金在同学中收获了“爱因斯坦”的昵称;

中学毕业,霍金与爱因斯坦同样以17岁之龄入读名校修读物理;(爱因斯坦入读苏黎世联邦理工学院,霍金入读牛津大学)

大学毕业,霍金进入剑桥大学修读博士学位,专攻广义相对论和宇宙学,其论文《奇点与时空几何》,与彭罗斯的论文共同赢得1966年的亚当斯奖;

70年代,霍金开始专注研究量子引力──量子力学与广义相对论的结合,于1974年发表论文《黑洞爆炸》,阐述了霍金辐射,并在1978年获得爱因斯坦奖;

……


直到2018年3月14日,139年前爱因斯坦降生的这一天,研究宇宙一生的霍金,回归了他毕生探索的浩渺星辰。



霍金的一生,证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理,提出了霍金辐射和无边界的宇宙模型,对于统一20世纪物理学两大基础——爱因斯坦创立的相对论和始于普朗克的量子力学做出了重要贡献。


有意思的是,霍金对科学界的影响远远不止对时空的探索。他的弟子Alan Yuille,奠定了计算视觉领域,除此之外,霍金也在推动着人工智能的发展,而他本人也是人工智能的受益者。但另一方面,霍金也曾多次发出警告:“人工智能可能会毁灭人类。”不得不说,霍金在当代对科技的影响力是非常广阔的。



诺贝尔奖的遗憾


1921年,因为“对理论物理的贡献,特别是发现了光电效应的原理”,爱因斯坦获得当年的诺贝尔物理学奖。


1921年诺贝尔物理学奖官方肖像

虽然在大多数人看来,爱因斯坦最为卓越、最应获得诺贝尔奖的成就应该是相对论,但事实上,由于诺贝尔奖是个秉持“现实主义”的奖项,而相对论在爱因斯坦生前并未获得证实,因此只能成为遗憾。


直到相对论提出100年后, LIGO科学团队与处女座干涉仪团队才正式宣布,人类于2015年9月14日首次直接探测到了源自于双黑洞合并的引力波,从而证实了爱因斯坦预言的正确性。



也许只能说,爱因斯坦太过于「天才」了。


很多人或许疑惑,为什么霍金一生成就卓著,提出了近乎完美的霍金辐射理论,却未能获颁诺贝尔物理学奖——理由同样是未经证实。


霍金辐射在理论上解释了黑洞蒸发,但由于宇宙微波背景辐射的干扰,这一现象很难被观测到。而现有的大型强子对撞机也尚未具备创造微观黑洞以观察其蒸发现象的条件。


Creator: Alain r ©CC BY-SA 2.5

但或许,我们可以期待下一个百年。毕竟,人类从来不会失去希望。



爱因斯坦与光电效应


尽管对光电效应的理论解释在爱因斯坦的众多成就中不是最为「重磅」的,但即便如此,这一发现在一众诺贝尔奖中也毫不逊色。


爱因斯坦首次提出,光束是由一群离散的能量粒子组成,光本身就是量子化的概念,当时他称之为“光量子”,这一概念后来被命名为“光子”。


他认为,光的能量并非均匀分布,而是负载于离散的光量子(光子),而光子的能量和其所组成的光的频率有关。假若光量子的频率大于某极限频率,则这光子便拥有足够能量来使得一个电子逃逸(称为光电子),形成光电效应


Creator: Wolfmankurd ©CC BY-SA 3.0

爱因斯坦的论述清楚地解释了为什么光电子的能量只与频率有关,而与辐照度无关。

也就是说:即便光束的辐照度很微弱,只要频率足够高,必会产生一些高能量的光量子来促使束缚电子逃逸;而尽管光束的辐照度很强劲,但若频率低于极限频率,则无法给出高能量的光量子来促使束缚电子逃逸。


光量子假说的先进性在于,此前物理学家们一直困惑于为何在经典电磁理论中,电磁波的能量只能为量子化的值,直到爱因斯坦开创性地提出「电磁场的能量本身就是量子化的」,这一困扰物理学家们许久的问题才迎刃而解。



爱因斯坦极具想象力与说服力的论述为光电效应提供了有力的理论解释,而这一解释也在后来由密立根用实验证实完全正确。


光电效应的理论解释无疑是突破性的,尤其对于光电人而言,爱因斯坦的光电效应理论不亚于开天辟地。

光子的概念带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展,例如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计诠释、量子光学和量子计算等。

而基于这一理论的光电产业也因此得以在20世纪乃至21世纪大放异彩。


电影《寻梦环游记》中说,

真正的死亡是世界上再没有一个人记得你,死亡不是生命的终点,遗忘才是。

那么,在这一天诞生与逝去的两个灵魂,永远未曾离去,不曾死亡。


今天,我们纪念两位伟大的科学家,不仅仅因为他们卓越的科学贡献,更因为他们对世界、对真理的不懈探索。


“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”——愿每一位科研工作者,永远怀有赤子之心,秉持先人之光,一路前行。



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