“预言家”，请睁眼

文 /孙正凡（天体物理学博士、科普作家）

科学并非恒定的真理。一个科学理论的成立，不但要求其能够解释（兼容）过去观察到的自然现象，还必须给出科学预言，以便后人验证理论的真伪。

比如牛顿物理学的一次重大验证，是哈雷彗星的回归。在中国古代天文学记录中，春秋时期以来的29次哈雷彗星回归都有记录，但是没有人能辨认出它们属于同一颗彗星。直到英国天文学家哈雷借助牛顿力学定律，计算了各大行星对彗星轨道的影响，才辨认出这颗彗星，预言了它下次回归的时间，并取得了成功，牛顿力学定律因此得到进一步验证。

作为一个善于思考、爱开“脑洞”的物理学家，爱因斯坦深刻地总结了科学理论的规律，在百年前他便预言激光、时空弯曲、量子纠缠、引力波……随着科学的发展，这些预言有的已经证实，有的仍待验证。

左图为1919年11月9日《纽约时报》头条新闻的标题，右图为1919年11月22日《伦敦新闻画报》的整版报道

太阳附近星光偏折，使爱因斯坦成为新偶像

爱因斯坦于1916年发表了广义相对论，他认为由于大质量天体的存在，空间不是平直的，而是弯曲的。他预言经过太阳附近的星光路径会被弯曲，从而看上去位置有所移动。按照牛顿的理论，光线经过太阳边缘时，弯曲角度约为0.87角秒（1角秒是1度的1/3600），而广义相对论给出的结果则是1.75角秒，比牛顿理论的预言要大1倍。

英国物理学家爱丁顿敏锐地认识到，在发生日全食的时候，太阳光完全被遮挡，观测太阳附近的星光偏折就可以用来检验爱因斯坦的预言。1919年5月29日的日全食符合进行这个检验的理想条件，不仅日全食时间持续长达6分钟，而且此时太阳正好位于七姐妹星团前面，这个星团的恒星相当明亮。

在“一战”结束之后，1919年，英国派出了两支探险队，分别前往巴西和非洲几内亚湾观测了这次日全食，最终在11月6日给出了偏离1.64角秒的结果，证实了广义相对论的正确性。

1919年11月7日，英国《泰晤士报》在头版头条报道了这个消息，标题是《科学革命：宇宙新理论！牛顿思想被推翻！》，不修边幅的爱因斯坦教授立刻成为媒体争相报道的对象，变成了家喻户晓的科学明星。

100年后，找到了引力波

在广义相对论中，时间和空间既是舞台，也是演员。早在1916年6月，爱因斯坦在一篇论文中提出了引力波的存在。所谓引力波，可以视为时空结构上的扰动，这个扰动表现为以光速传播的波。也就是说，在广义相对论中，连时空舞台也不甘寂寞，会直接发生变化。

天文学家发现，要产生可以探测的引力波，需要致密天体做非中心对称运动，比如黑洞、中子星之类天体进行碰撞。1974年，美国两位天文学家胡尔斯和泰勒发现脉冲双星PSR1913＋16（两颗相互绕转的中子星），他们进行了长达20年的观测，发现双星绕转能量的损失符合引力波的特征，这也是人类第一次得到引力波存在的间接性证据。

2017年8月17日，激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了一次引力波事件，几小时后欧洲南方天文台（ESO）在茫茫太空中找到了引力波来源，这是1.3亿光年外两颗中子星碰撞合并而发生的大爆炸，爆炸激荡起了时空涟漪，这是人类第一次亲眼“看见”引力波事件，包括我国在内的多国科学团队为这一历史性时刻做出了贡献。下图为ESO根据观测资料制作的模拟图。左图为哈勃望远镜捕捉到的该中子星碰撞后由明亮逐渐暗淡的过程。图/ES O

寻找引力波的征程，从1960年就开始了，但科学家们在50多年里屡战屡败，直到2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（LIGO）合作组才探测到了第一个引力波信号。LIGO实验室采用了长达4公里的激光干涉仪（别忘了，激光也是爱因斯坦的科学预言），2台同样的设备距离3002公里，成功揭示了为什么引力波如此难以探测。引力波源是2个黑洞，质量分别约为太阳质量的29和36倍，合并之后形成了质量约为太阳质量62倍的黑洞。它们在不到1秒的时间里释放了相当于3倍太阳质量的能量。但经过10亿光年之后，到达地球的引力波振幅仅仅只有10-21。也就是说，在LIGO中相距4公里的镜子，其相对距离只是变化了4×10-18米左右，是原子核尺度的1/1000。

引力波的发现，为我们探测宇宙打开了新的窗口，尤其是在探测黑洞、极早期宇宙方面，这可能是唯一的手段。

量子纠缠，爱因斯坦推导出的“错误”

量子力学提供了许多反常识的认识，丹麦物理学家玻尔建立的哥本哈根学派，将量子行为解释为随机性，比如电子在原子核周围的分布是不确定的，它可能存在于任何地方。爱因斯坦对量子力学的建立做出了奠基性的贡献，光子、波粒二象性等概念都是他提出来的。但是他不能接受随机性的解释，用他的话说，“上帝是不掷骰子的”。为了反驳玻尔的解释，爱因斯坦采用了“推谬法”，即假设对方是正确的，推导出一个荒谬的结论，从而证明对方是错误的。这个结论就是“量子纠缠”。

爱因斯坦认为，如果量子力学是对的话，那么当我们能够把两个粒子分开，分得非常远时，改变一个粒子的状态，另一个也必须立即发生相应的改变。但是，由于光速是最快的，任何光子想在两个粒子之间传递信息都需要很长时间。同时性和传递信息所需的时间，是一对悖论，这是不可能同时成立的，所以玻尔错了。有意思的是，玻尔经过思考，认为爱因斯坦的推导没有任何问题，唯一的问题是，这个同时性确实不需要时间。也就是说，爱因斯坦推出的“量子纠缠”现象，应该是真实存在的。

从20世纪60年代开始，科学家们逐渐找到方法来实现纠缠态的粒子对。在20世纪与21世纪之交，基于量子纠缠思想的实验，已经发展成了量子保密通信等新兴技术。玻尔、爱因斯坦等人于100年前在纸面上的争论，正发展成关乎世界未来的事业。

我国著名物理学家、量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士与“墨子号”量子卫星模型合影 图/人民视觉

爱因斯坦曾在他的科普名著《物理学的进化》中，将科学比作一个没有写完的侦探故事，在我们侦察自然界秘密的过程中，通过直接观察得到的直觉结论未必是可靠的，有时也会导致错误的方向。

运用科学规律和数学语言，科学家能够预言人们从未见过甚至从未发生过的事情。这种预见，可能远远超前于科学家自身所处的时代。牛顿曾说，我们要“站在巨人的肩膀上”。在科学领域，人们也不承认任何人具有不可置疑的权威。我们在验证爱因斯坦的预言的时候，实际上也是在检验他的理论究竟对不对。借助这样的科学精神，我们才能不断前进、创新，锚定美好未来。

2017年，潘建伟团队利用“墨子号”量子卫星在世界上首先实现了千公里级的量子纠缠分发，国际权威期刊《科学》以封面论文的形式刊发了这一成果