爱因斯坦120年的预言竟然成真！

20世纪，是一个百家争鸣、百花齐放的大争之世。不仅是世界格局发生了千年未有之大变局，学术界的格局也是天翻地覆，后起之秀如过江之鲫，各种各样的学说理论交相辉映。热力学第二定律、麦克斯韦方程、普朗克常数、光电子效应等等影响物理世界进程的理论假说层出不穷，天才井喷式的爆发。

Tips：物理学physics，研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律，因此成为其他各自然科学学科的研究基础。

其中最引人瞩目的还是阿尔伯特·爱因斯坦，他是20世纪物理学家中的明星，是当代最负盛名、最具影响力的物理学家。1905年他先后发表了《论动体的电动力学》等5篇划时代论文，从此一鸣惊人，这一年也被“爱因斯坦奇迹年”。

爱因斯坦开创了极具开创性和极具前瞻性的相对论学说，将物理学从惯性系（由匀速运动的物体组成的系统）引申到日常生活的非惯性系系统（相对惯性系做加速运动的物体），颠覆了前人的理论。对物理学爱因斯坦始终抱以极大的热诚，他曾说过：“科学是永无止境的，它是一个永恒之谜。”

Tips：爱因斯坦开创了现代科学技术新纪元，被公认为是继伽利略、牛顿之后最伟大的物理学家，也是批判学派科学哲学思想之集大成者和发扬光大者。

2017年，由爱因斯坦预测的引力波被证实，3位发现引力波的美国科学家被授予物理学界的最高荣誉诺贝尔物理学奖。这是相对论迟来102年的奖章，是诺奖对爱因斯坦的致敬。

爱因斯坦的预言

爱因斯坦出生于德国乌尔姆市一个犹太人家庭，少年时期沉迷数学与哲学，最爱看康德的著作，是一个不折不扣的文艺青年。大学时期，在瑞士联邦理工学院学习时，爱因斯坦开始思考光速的学说，并对牛顿经典力学体系下存在的矛盾感到困惑。

Tips：瑞士联邦理工学院坐落于瑞士联邦洛桑，最初可以追溯到1853年建立的私立学校，后正式成立于1969年。

1905年，爱因斯坦这位注定登上现代物力学顶端的科学家，展现了他独特的、天才般的学术思想和能力。这一年，他连续发表了5篇划时代的论文，其中两篇论文拥有极高的知名度。一篇提出了光量子假说，解决了光电效应问题；一篇开创性地提出了狭义相对论，拉开了物理学新纪元的大幕。但是当时的人们对此并不感兴趣，爱因斯坦仍旧当着伯尔尼专业局的小职员。

Tips：光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。

直到德国科学巨匠、量子学说的创始人马克思·普朗克发现了爱因斯坦的论文，他认为爱因斯坦是匹千里马，他的学说会开创出一个新的世代。在普朗克这位伯乐不遗余力地推动和宣传下，爱因斯坦在学界中有了一席之地。普朗克私下还多次邀请爱因斯坦回到德国定居，并担任柏林洪堡大学的教授。

1913年，爱因斯坦应邀回到德国担任柏林洪堡大学教授，并担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长。爱因斯坦在柏林度过了人生中最难忘的19年岁月，在这里发表了现代物理学的鸿篇巨著《广义相对论的基础》，完美的总结了广义相对论的所有问题，整个物理学界因此喧嚣不止。

Tips：量子力学为物理学理论，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。

1905年爱因斯坦首次提出相对论的概念，由于当时的理论只能解释惯性系统下的物体运动，所以被命名为《狭义相对论》。狭义相对论阐述了相对性原理，并提出了光速不变的假设和著名的质能方程E=mc ^2（原子物理的依据）。但因其范围的局限性，所以爱因斯坦并不满意这一个“孩子”，于是对它进行了修剪和增补，终于在10年后新生的、完美的相对论体系诞生了。

广义相对论不仅将理论范围拓展到非惯性系还完美的解释了引力的本质。此外，爱因斯坦还预言了引力波的存在，并在1918年写了一份名为《论引力波》的论文。

Tips：原子物理学是研究原子的结构、运动规律及相互作用的物理学分支。它主要研究：原子的电子结构；原子光谱；原子之间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。

广义相对论的横空出世，颠覆了牛顿经典力学体系，打破了牛顿的绝对空间、绝对时间的定义。这个理论就像是黑夜中的闪电惊醒了无数的物理学家，但是由于广义相对论引入了许多全新的概念，大部分的科学家难以理解。而且相比于这个新生的、孤单的理论，牛顿力学显然更为根深树大枝繁叶茂。1919年，恰逢有日全食星象发生，爱因斯坦就说如果能够在日全食中看到被太阳遮挡的天体就证明广义相对论是对的，反之就是错误的。

因为太阳这个巨大的天体弯曲了周围的空间，使被遮挡天体的光线拐了个弯，而不是做直线运动。于是全世界的天文学家都行动了起来，终于有两支观测队观测到了爱因斯坦所说的光线，证实了广义相对论的引力透镜效应。这也证明牛顿的经典力学体系存在错误，当时英国的泰晤士报头条上就写着“牛顿错了！”。

Tips：牛顿第一定律一般指牛顿第一运动定律，又称惯性定律。常见的完整表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。

不仅如此，爱因斯坦还利用相对论证明了水星近日点的进动，广义相对论的正确性的由此得到了广泛认同。但是广义相对论中还有一个重要的预言迟迟未能证实，它就是引力波，引力波不能证实就代表着广义相对论的地基并不稳固，因此爱因斯坦终生未能以相对论获奖，而是因为光电效应而获得诺贝尔物理学奖。

迟来的102年的致敬

在广义相对论中，引力被认为是一种时空弯曲的效应，是由于天体的巨大质量引起。自从广义相对论被广泛认可，大众就开始寻找广义相对论的最后一块“砖”引力波。由于引力波十分微小，就像是一块石头投进平静的水中产生的点点涟漪，因此也被称为“时空中的涟漪”。引力波不像是机械波传播需要介质，只是物质和能量剧烈变化和运动产生的物质波，所以就算有引力波产生人们也很难发现。

Tips：物质波又叫德布罗意波，即函数为概率波，它的模方指空间中某点某时刻可能出现的几率密度，其中概率密度的大小受波动规律的支配。

直到2015年美国ＬＩＧＯ项目发现了两个黑洞合并产生的引力波，这段引力波信号在仪器中引起的变化比原子核的变化小了1万倍，如此微弱的信号无怪乎直到100年后才有人观测到。那如此微小的波科学家们是如何探测到的呢？

其实对引力波的探测早在上世纪50年代就开始了，当时的科学家韦伯率先进行了相关的试验。韦伯自制了一根2米长的共振棒探测器来探测引力波的存在，但是由于探测棒太短导致试验失败，但是韦伯的试验却开启了寻找引力波的盲盒，科学家们前赴后继的投身到这项事业当时中。在韦伯之后人们意识到共振棒探测器的缺点，另外设计了一套方案，就是激光干涉仪探测方案。

Tips：探测器detector，是观察 、记录粒子的装置 ，核物理和粒子物理实验研究中不可缺少的设备。

相比共振棒探测器，激光干涉仪的探测信号不再局限于对应的引力波信号，探测范围扩大了很多。另一个则是，激光干涉仪的臂长可以做得很长，更易探测到引力波。

2015年探测到引力波的项目，用的就是激光干涉仪装置。他们两个把激光干涉仪装置，分别安装在相距3000公里的美国路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市。这两个装置都装有长度达到4公里的L型长臂，看起来像是螃蟹长长的蟹腿，机械感十足。这些“蟹腿”是为了放大引力波的变化，易于观测而专门设计的。因为当引力波从几十或几百光年远的宇宙传到地球时，在实验装置中所引起的变化就相当于原子核变化的十万分之一。如此微小的变化，也只有用最精密先进的仪器才能观察到。

Tips：激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。

2015年9月，LIGO项目观测到了来自于13亿年前一个双黑系统合并产生的引力波信号，随后在2015年12月又一次观测到引力波信号。

2017年，诺贝尔物理学奖授予了这3位主导观测项目的科学家，时隔102年爱因斯坦的预言终于实现。诺奖的授予不仅是对3位科学家辛苦工作的肯定，更是向现代物理学的奠基者爱因斯坦授予迟来的奖章。

引力波有什么作用

人们经过1个世纪的追寻，才找到了引力波，那么引力波有什么作用呢？首先，引力波的存在补全了爱因斯坦的广义相对论，证实了他的推测，是本世纪物理的又一大突破。

Tips：引力波是空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。换句话说，引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波。

第二，引力波证明了黑洞的存在。根据2015年的观测甚至可以推断出两个黑洞合并前的质量分别相当于36个太阳质量和29个太阳质量，而合并后形成的黑洞的总质量约等于62个太阳质量。其次因为引力波与声波类似，都有波峰和波谷，可以将引力波转换成声波播放出来。通过引力波来探测宇宙中发生的诸如和黑洞合并的大事件。

第三，由于引力波不同于电磁波，引力波不需要任何的介质来传播，也不会产生任何的电磁辐射，所以引力波所携带的信息都是最原始的没有被破过的第一手资料，对研究宇宙的起源很有意义。

Tips：黑洞，黑洞的引力极其强大，使得视界内的逃逸速度大于光速。故而，黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体。

再次，因为能够不受阻挡地穿过任何行进中的天体，以前电磁波不敢去的地方它都敢去，所以这些微小的波能够提供宇宙中类似黑洞、虫洞、超新星爆炸之类的天体信息，而这些信息都是传统光学望远镜和射电望远镜观测到的。引力波能够让我们从另一个角度来了解宇宙中的大小事。

而且引力波的发现，将打开物理学界和天文学界对宇宙观测的大门，人类不必通过飞上太空在地面就可以接收到来自宇宙的亲切“问候”。而且由于引力波不受阻碍可以通行全宇宙的特殊功能，宇宙通信功能也不再是空中楼阁，科幻小说中的设想也许在未来的某一天能够实现。

Tips：电磁波是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，其粒子形态称为光子，电磁波与光子不是非黑即白的关系，而是根据实际研究的不同，其性质所体现出的两个侧面。

目前，全世界的引力波探测实验室都如雨后春笋般成长起来。意大利臂长为3000米的VIRGO，德国臂长为600米的GEO，日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。

Tips：宇宙飞船可分为一次性使用与可重复使用两种类型。用运载火箭把飞船送入地球卫星轨道运行，然后再入大气层。

我国也有3个引力波观测项目，分别是中科院领导的太极计划和 “阿里实验计划”，以及中山大学领导的“天琴计划”。虽然目前这些计划都在初研中，但是相信过不了多久中国人的名字就会出现在国际上。

结语：

相隔百年之后爱因斯坦的学说终于获得了属于自己的荣誉，物理学的最高荣誉诺贝尔物理学奖颁发给证实了引力波存在的科学家，颁发给了广义相对论，这不仅仅是对这3位科学家的褒奖更是对爱因斯坦的致敬。

Tips：虫洞是1916年由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出的概念，1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的，认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做时间旅行。

现在科学家正在紧锣密鼓的研究爱因斯坦的下一个预言“虫洞“，在科幻小说中它常被认为是时空穿梭的通道，是联系两个世界的节点，是穿越的首选。如果证实了它那么在未来星际穿越就不再是电影中狂想。

科学的探索是永无止境的，人类应当怀抱着万分的渴求之心去追逐新的技术、新的理论、新的概念，才能登上高峰看见层林尽染的风景。