“預言家”，請睜眼

文 /孫正凡（天體物理學博士、科普作家）

科學并非恒定的真理。一個科學理論的成立，不但要求其能夠解釋（兼容）過去觀察到的自然現象，還必須給出科學預言，以便后人驗證理論的真偽。

比如牛頓物理學的一次重大驗證，是哈雷彗星的回歸。在中國古代天文學記錄中，春秋時期以來的29次哈雷彗星回歸都有記錄，但是沒有人能辨認出它們屬于同一顆彗星。直到英國天文學家哈雷借助牛頓力學定律，計算了各大行星對彗星軌道的影響，才辨認出這顆彗星，預言了它下次回歸的時間，并取得了成功，牛頓力學定律因此得到進一步驗證。

作為一個善于思考、愛開“腦洞”的物理學家，愛因斯坦深刻地總結了科學理論的規律，在百年前他便預言激光、時空彎曲、量子糾纏、引力波……隨著科學的發展，這些預言有的已經證實，有的仍待驗證。

左圖為1919年11月9日《紐約時報》頭條新聞的標題，右圖為1919年11月22日《倫敦新聞畫報》的整版報道

太陽附近星光偏折，使愛因斯坦成為新偶像

愛因斯坦于1916年發表了廣義相對論，他認為由于大質量天體的存在，空間不是平直的，而是彎曲的。他預言經過太陽附近的星光路徑會被彎曲，從而看上去位置有所移動。按照牛頓的理論，光線經過太陽邊緣時，彎曲角度約為0.87角秒（1角秒是1度的1/3600），而廣義相對論給出的結果則是1.75角秒，比牛頓理論的預言要大1倍。

英國物理學家愛丁頓敏銳地認識到，在發生日全食的時候，太陽光完全被遮擋，觀測太陽附近的星光偏折就可以用來檢驗愛因斯坦的預言。1919年5月29日的日全食符合進行這個檢驗的理想條件，不僅日全食時間持續長達6分鐘，而且此時太陽正好位于七姐妹星團前面，這個星團的恒星相當明亮。

在“一戰”結束之后，1919年，英國派出了兩支探險隊，分別前往巴西和非洲幾內亞灣觀測了這次日全食，最終在11月6日給出了偏離1.64角秒的結果，證實了廣義相對論的正確性。

1919年11月7日，英國《泰晤士報》在頭版頭條報道了這個消息，標題是《科學革命：宇宙新理論！牛頓思想被推翻！》，不修邊幅的愛因斯坦教授立刻成為媒體爭相報道的對象，變成了家喻戶曉的科學明星。

100年后，找到了引力波

在廣義相對論中，時間和空間既是舞臺，也是演員。早在1916年6月，愛因斯坦在一篇論文中提出了引力波的存在。所謂引力波，可以視為時空結構上的擾動，這個擾動表現為以光速傳播的波。也就是說，在廣義相對論中，連時空舞臺也不甘寂寞，會直接發生變化。

天文學家發現，要產生可以探測的引力波，需要致密天體做非中心對稱運動，比如黑洞、中子星之類天體進行碰撞。1974年，美國兩位天文學家胡爾斯和泰勒發現脈沖雙星PSR1913＋16（兩顆相互繞轉的中子星），他們進行了長達20年的觀測，發現雙星繞轉能量的損失符合引力波的特征，這也是人類第一次得到引力波存在的間接性證據。

2017年8月17日，激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測到了一次引力波事件，幾小時后歐洲南方天文臺（ESO）在茫茫太空中找到了引力波來源，這是1.3億光年外兩顆中子星碰撞合并而發生的大爆炸，爆炸激蕩起了時空漣漪，這是人類第一次親眼“看見”引力波事件，包括我國在內的多國科學團隊為這一歷史性時刻做出了貢獻。下圖為ESO根據觀測資料制作的模擬圖。左圖為哈勃望遠鏡捕捉到的該中子星碰撞后由明亮逐漸暗淡的過程。圖/ES O

尋找引力波的征程，從1960年就開始了，但科學家們在50多年里屢戰屢敗，直到2015年9月14日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）合作組才探測到了第一個引力波信號。LIGO實驗室采用了長達4公里的激光干涉儀（別忘了，激光也是愛因斯坦的科學預言），2臺同樣的設備距離3002公里，成功揭示了為什么引力波如此難以探測。引力波源是2個黑洞，質量分別約為太陽質量的29和36倍，合并之后形成了質量約為太陽質量62倍的黑洞。它們在不到1秒的時間里釋放了相當于3倍太陽質量的能量。但經過10億光年之后，到達地球的引力波振幅僅僅只有10-21。也就是說，在LIGO中相距4公里的鏡子，其相對距離只是變化了4×10-18米左右，是原子核尺度的1/1000。

引力波的發現，為我們探測宇宙打開了新的窗口，尤其是在探測黑洞、極早期宇宙方面，這可能是唯一的手段。

量子糾纏，愛因斯坦推導出的“錯誤”

量子力學提供了許多反常識的認識，丹麥物理學家玻爾建立的哥本哈根學派，將量子行為解釋為隨機性，比如電子在原子核周圍的分布是不確定的，它可能存在于任何地方。愛因斯坦對量子力學的建立做出了奠基性的貢獻，光子、波粒二象性等概念都是他提出來的。但是他不能接受隨機性的解釋，用他的話說，“上帝是不擲骰子的”。為了反駁玻爾的解釋，愛因斯坦采用了“推謬法”，即假設對方是正確的，推導出一個荒謬的結論，從而證明對方是錯誤的。這個結論就是“量子糾纏”。

愛因斯坦認為，如果量子力學是對的話，那么當我們能夠把兩個粒子分開，分得非常遠時，改變一個粒子的狀態，另一個也必須立即發生相應的改變。但是，由于光速是最快的，任何光子想在兩個粒子之間傳遞信息都需要很長時間。同時性和傳遞信息所需的時間，是一對悖論，這是不可能同時成立的，所以玻爾錯了。有意思的是，玻爾經過思考，認為愛因斯坦的推導沒有任何問題，唯一的問題是，這個同時性確實不需要時間。也就是說，愛因斯坦推出的“量子糾纏”現象，應該是真實存在的。

從20世紀60年代開始，科學家們逐漸找到方法來實現糾纏態的粒子對。在20世紀與21世紀之交，基于量子糾纏思想的實驗，已經發展成了量子保密通信等新興技術。玻爾、愛因斯坦等人于100年前在紙面上的爭論，正發展成關乎世界未來的事業。

我國著名物理學家、量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉院士與“墨子號”量子衛星模型合影 圖/人民視覺

愛因斯坦曾在他的科普名著《物理學的進化》中，將科學比作一個沒有寫完的偵探故事，在我們偵察自然界秘密的過程中，通過直接觀察得到的直覺結論未必是可靠的，有時也會導致錯誤的方向。

運用科學規律和數學語言，科學家能夠預言人們從未見過甚至從未發生過的事情。這種預見，可能遠遠超前于科學家自身所處的時代。牛頓曾說，我們要“站在巨人的肩膀上”。在科學領域，人們也不承認任何人具有不可置疑的權威。我們在驗證愛因斯坦的預言的時候，實際上也是在檢驗他的理論究竟對不對。借助這樣的科學精神，我們才能不斷前進、創新，錨定美好未來。

2017年，潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛星在世界上首先實現了千公里級的量子糾纏分發，國際權威期刊《科學》以封面論文的形式刊發了這一成果