“小数据”引出的大成果(下)
爱因斯坦的手稿。2019年3月14日是爱因斯坦诞辰140周年。以色列希伯莱大学为此首次展出了他的110份手稿，其中大部分从未展出过
光线要弯曲的验证还有很多。例如，雷达回波的延迟—在1964～1968年间，以美国物理学家夏皮罗为首的研究小组，先后对水星、金星与火星进行雷达实验，验证了电波经过太阳附近时也会弯曲，使电波传播时间延长，而且观测结果与爱因斯坦的理论预言一致。后来，还有人用人造天体作为反射靶，并改善了实验精度，结果与预言的理论值相差仅约1%。
由于光线在大质量天体附近弯曲，使得观察者可以看见在空间中被大质量天体所遮挡的光源。如果从观测者到光源的视线上有一个大质量的前景天体，则会在光源的两侧形成两个像，就像有一面透镜放在观测者和天体之间一样，这种现象称为“引力透镜效应”。爱因斯坦的这一预言，也在一个世纪后的2017年被验证。当年6月7日，美国太空望远镜科学研究所的天文学家凯拉什·萨胡领衔的一个国际科研小组在美国《科学》杂志上说，借助哈勃太空望远镜，他们直接观测到一颗白矮星的引力扭曲了其身后一颗星球的光线。
, 百拇医药
爱因斯坦在1936年发表的一篇研究论文中还预测，利用发生“引力透镜效应”时观测到的偏移距离，可以直接计算出前方星球的质量，这被称作“天体测量透镜”。在 2013～2015年间，凯拉什·萨胡领衔的团队8次把哈勃望远镜对准一颗快速移动的白矮星Stein 2051 B，研究观测的结果表明，在距离地球大约18光年的这颗白矮星的引力作用下，其身后的星球的观测位置与实际位置相距大约(2×10-3)″，据此计算出该白矮星的质量为太阳的68%。
爱因斯坦破解“43″之谜”—水星“反常”非反常
根据1847年天文观测和计算的结果，水星轨道近日点的进动是每100年转过5600.73″。用牛顿力学考虑各种因素之后，只有其中的5557.62″能够解释—90%为坐标系的岁差引起，其余部分由行星(特别是金星、地球和木星)的摄动引起，还有43.11″(称为“剩余进动”—以下取常用的近似值43″)却无法解释。1°是1个圆周角的1/360，1°的1/3600是1″，可见43″多么小。
, 百拇医药
1859年，法国天文学家勒威耶测算的“剩余进动”是38″。他根据自己在1846年发现海王星的“经验”，认为这38″可能是未知的“水内行星”的引力所致。由于一直未发现“水内行星”，所以他的这一猜测并不成立。
1882年，出生在加拿大的美国天文学家纽康重新测算后，得出正确的“剩余进动”是43″—勒威耶的38″有误。纽康认为，有可能是水星发出的黄道光的弥漫物质使其运动受到阻力。但这又不能解释为什么其他几颗行星也有类似的多余进動；于是，他就怀疑引力是否服从“平方反比”—万有引力定律再次面临严峻的考验。后来，曾陆续提出一些理论来解释这相差的43″，但都没能成功。于是，这43″被称为“水星近日点的‘反常’进动”，成为天文学家们的“43″之谜”。
到了20世纪，爱因斯坦出场了。他在1916年计算出了水星的“剩余进动”是每100年43″。这不但和上述43″一致，而且与1975年的实际观测数据每100年(41.4±0.9)″ 基本相符。
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就这样，凭借“小数据”43″，爱因斯坦破解了“43″之谜”—水星的“反常”非反常。
不但如此，后来测到的金星、地球和小行星伊卡鲁斯的多余进动，也都与理论计算基本相符。
在大约0.1微米数量级面前—严济慈研究“反压电效应”
严济慈
法布里
1923年，后来成为中国物理学界泰斗的严济慈自费赴法留学，1924年5月，正式进入巴黎大学理学院学习。严济慈的老师，是享誉法国的著名物理学家莫里斯·法布里教授。法布里对当时仅有22岁的严济慈非常器重，就给了他“反(逆)压电效应”的研究课题。因为法布里不但看到了石英片的应用前景不可限量，而且深信严济慈能有所作为。要有所作为并非易事，因为测量石英片压电效应系数要达到10-8～10-6米的精度，所以没人敢去尝尝这只“螃蟹”。
, 百拇医药
在法布里的指导和居里夫人的帮助下，严济慈经过一年半的努力，克服了重重困难，终于用单色光测到了石英片通电后在0.1微米数量级上下的细微变化。他超出老师要求标准的博士论文《石英在电场下的形变和光学特性变化的实验研究》，由法布里在自己首次出席的院士例会上宣读后，引起了法国科学界的轰动。
严济慈初露锋芒，源于那大约0.1微米数量级的“小数据”。
在10-21米面前—“山水一程又一程”之后的引力波
1916年3月20日，爱因斯坦的论文《广义相对论的基础》以单行本的形式在《物理年鉴》上正式发表，其中提出了引力波的概念，并预言存在引力波。
然而，引力波太难探测到了。这是为什么呢？
太难探测的第一个主要原因是引力波极其微弱。例如，地球绕太阳以大约30千米/秒的平均速度运行，发出的引力波功率仅约200瓦(小于一般家用电饭煲的功率)。引力波功率微弱，就导致振幅微小—小到探测精度要达到10-21米，即要能够在1000米的距离上感知10-18米的变化!第二个主要原因是，物质对它的吸收效率极低，这就难以被探测仪器感知。
, 百拇医药
2016年，科学家们直接探测到引力波
1974年，美国天体物理学家约瑟夫·霍顿·泰勒与他的学生拉塞尔·阿兰·赫尔斯间接证明了引力波的存在，他俩也因此共享1993年诺贝尔物理学奖。
左起：韦斯、索恩、巴里什
爱因斯坦提出引力波整整一个世纪之后，心无旁骛的科学界终于直接抓到了“无影人”。2016年2月11日当地时间10时30分，在华盛顿特区国家媒体中心，由“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的发言人—美国路易斯安那州立大学巴吞鲁日分校的女物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯宣布：德国汉诺威马普学会引力物理研究所的LIGO在2015年9月14日17时50分45秒(北京时间)，首次直接探测到引力波信号!这个信号，由来自13亿光年之遥的两个质量分别为36M⊙(“M⊙”是“太阳质量”，1M⊙=1个太阳的总质量≈1.989×1030千克)和29M⊙的黑洞合并末期发出。同年12月26日，LIGO又再次直接探测到另一个引力波信号……
直接探测到引力波，完成了广义相对论的“最后一块拼图”，治好了科学家们在广义相对论中的“最后心病”。此外，“霍金四大定理”之一的黑洞面积不减定理—在不考虑量子力学的情况下，合并后的黑洞面积只增不减，也被验证。
又是一个“秋收的季节”—这次是在相对论领域和天体物理学领域，主角是“无影英雄”引力波。
为创建LIGO和直接发现引力波做出重大贡献的3位美国科学家，分享了2017年诺贝尔物理学奖：获一半奖金的雷纳·韦斯、获1/4奖金的基普·斯蒂芬·索恩与获1/4奖金的巴里·克拉克·巴里什。, 百拇医药(陈仁政)
光线要弯曲的验证还有很多。例如，雷达回波的延迟—在1964～1968年间，以美国物理学家夏皮罗为首的研究小组，先后对水星、金星与火星进行雷达实验，验证了电波经过太阳附近时也会弯曲，使电波传播时间延长，而且观测结果与爱因斯坦的理论预言一致。后来，还有人用人造天体作为反射靶，并改善了实验精度，结果与预言的理论值相差仅约1%。
由于光线在大质量天体附近弯曲，使得观察者可以看见在空间中被大质量天体所遮挡的光源。如果从观测者到光源的视线上有一个大质量的前景天体，则会在光源的两侧形成两个像，就像有一面透镜放在观测者和天体之间一样，这种现象称为“引力透镜效应”。爱因斯坦的这一预言，也在一个世纪后的2017年被验证。当年6月7日，美国太空望远镜科学研究所的天文学家凯拉什·萨胡领衔的一个国际科研小组在美国《科学》杂志上说，借助哈勃太空望远镜，他们直接观测到一颗白矮星的引力扭曲了其身后一颗星球的光线。
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爱因斯坦在1936年发表的一篇研究论文中还预测，利用发生“引力透镜效应”时观测到的偏移距离，可以直接计算出前方星球的质量，这被称作“天体测量透镜”。在 2013～2015年间，凯拉什·萨胡领衔的团队8次把哈勃望远镜对准一颗快速移动的白矮星Stein 2051 B，研究观测的结果表明，在距离地球大约18光年的这颗白矮星的引力作用下，其身后的星球的观测位置与实际位置相距大约(2×10-3)″，据此计算出该白矮星的质量为太阳的68%。
爱因斯坦破解“43″之谜”—水星“反常”非反常
根据1847年天文观测和计算的结果，水星轨道近日点的进动是每100年转过5600.73″。用牛顿力学考虑各种因素之后，只有其中的5557.62″能够解释—90%为坐标系的岁差引起，其余部分由行星(特别是金星、地球和木星)的摄动引起，还有43.11″(称为“剩余进动”—以下取常用的近似值43″)却无法解释。1°是1个圆周角的1/360，1°的1/3600是1″，可见43″多么小。
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1859年，法国天文学家勒威耶测算的“剩余进动”是38″。他根据自己在1846年发现海王星的“经验”，认为这38″可能是未知的“水内行星”的引力所致。由于一直未发现“水内行星”，所以他的这一猜测并不成立。
1882年，出生在加拿大的美国天文学家纽康重新测算后，得出正确的“剩余进动”是43″—勒威耶的38″有误。纽康认为，有可能是水星发出的黄道光的弥漫物质使其运动受到阻力。但这又不能解释为什么其他几颗行星也有类似的多余进動；于是，他就怀疑引力是否服从“平方反比”—万有引力定律再次面临严峻的考验。后来，曾陆续提出一些理论来解释这相差的43″，但都没能成功。于是，这43″被称为“水星近日点的‘反常’进动”，成为天文学家们的“43″之谜”。
到了20世纪，爱因斯坦出场了。他在1916年计算出了水星的“剩余进动”是每100年43″。这不但和上述43″一致，而且与1975年的实际观测数据每100年(41.4±0.9)″ 基本相符。
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就这样，凭借“小数据”43″，爱因斯坦破解了“43″之谜”—水星的“反常”非反常。
不但如此，后来测到的金星、地球和小行星伊卡鲁斯的多余进动，也都与理论计算基本相符。
在大约0.1微米数量级面前—严济慈研究“反压电效应”
严济慈
法布里
1923年，后来成为中国物理学界泰斗的严济慈自费赴法留学，1924年5月，正式进入巴黎大学理学院学习。严济慈的老师，是享誉法国的著名物理学家莫里斯·法布里教授。法布里对当时仅有22岁的严济慈非常器重，就给了他“反(逆)压电效应”的研究课题。因为法布里不但看到了石英片的应用前景不可限量，而且深信严济慈能有所作为。要有所作为并非易事，因为测量石英片压电效应系数要达到10-8～10-6米的精度，所以没人敢去尝尝这只“螃蟹”。
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在法布里的指导和居里夫人的帮助下，严济慈经过一年半的努力，克服了重重困难，终于用单色光测到了石英片通电后在0.1微米数量级上下的细微变化。他超出老师要求标准的博士论文《石英在电场下的形变和光学特性变化的实验研究》，由法布里在自己首次出席的院士例会上宣读后，引起了法国科学界的轰动。
严济慈初露锋芒，源于那大约0.1微米数量级的“小数据”。
在10-21米面前—“山水一程又一程”之后的引力波
1916年3月20日，爱因斯坦的论文《广义相对论的基础》以单行本的形式在《物理年鉴》上正式发表，其中提出了引力波的概念，并预言存在引力波。
然而，引力波太难探测到了。这是为什么呢？
太难探测的第一个主要原因是引力波极其微弱。例如，地球绕太阳以大约30千米/秒的平均速度运行，发出的引力波功率仅约200瓦(小于一般家用电饭煲的功率)。引力波功率微弱，就导致振幅微小—小到探测精度要达到10-21米，即要能够在1000米的距离上感知10-18米的变化!第二个主要原因是，物质对它的吸收效率极低，这就难以被探测仪器感知。
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2016年，科学家们直接探测到引力波
1974年，美国天体物理学家约瑟夫·霍顿·泰勒与他的学生拉塞尔·阿兰·赫尔斯间接证明了引力波的存在，他俩也因此共享1993年诺贝尔物理学奖。
左起：韦斯、索恩、巴里什
爱因斯坦提出引力波整整一个世纪之后，心无旁骛的科学界终于直接抓到了“无影人”。2016年2月11日当地时间10时30分，在华盛顿特区国家媒体中心，由“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的发言人—美国路易斯安那州立大学巴吞鲁日分校的女物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯宣布：德国汉诺威马普学会引力物理研究所的LIGO在2015年9月14日17时50分45秒(北京时间)，首次直接探测到引力波信号!这个信号，由来自13亿光年之遥的两个质量分别为36M⊙(“M⊙”是“太阳质量”，1M⊙=1个太阳的总质量≈1.989×1030千克)和29M⊙的黑洞合并末期发出。同年12月26日，LIGO又再次直接探测到另一个引力波信号……
直接探测到引力波，完成了广义相对论的“最后一块拼图”，治好了科学家们在广义相对论中的“最后心病”。此外，“霍金四大定理”之一的黑洞面积不减定理—在不考虑量子力学的情况下，合并后的黑洞面积只增不减，也被验证。
又是一个“秋收的季节”—这次是在相对论领域和天体物理学领域，主角是“无影英雄”引力波。
为创建LIGO和直接发现引力波做出重大贡献的3位美国科学家，分享了2017年诺贝尔物理学奖：获一半奖金的雷纳·韦斯、获1/4奖金的基普·斯蒂芬·索恩与获1/4奖金的巴里·克拉克·巴里什。, 百拇医药(陈仁政)