因和爱因斯坦“对着干”,他被推荐为剑桥博士

作者:七君来源:把科学带回家发布时间:2019-11-27

约翰·莫法特(John Moffat)的人生经历会打破关于你对世界的许多成见。

一个没上过大学的贫困艺术生自学大学物理,找到爱因斯坦的一个数学错误,得到薛定谔推荐,上了剑桥大学,成为剑桥大学800年历史上第一个没有本科学历的博士。后来,他还提出了和爱因斯坦对着干的光速可变理论,成为填补宇宙大爆炸理论系统 bug 的有力候选。

约翰·莫法特(John Moffat)的人生经历会打破关于你对世界的许多成见。

因和爱因斯坦“对着干”,他被推荐为剑桥博士

1932年,莫法特出生在丹麦,他曾经是一个贫穷的艺术生,而且高中成绩不太好,也没有显示出特别的数学或者科学天赋。

莫法特的父母也不是什么教育家,他的妈妈是丹麦人,爸爸是英国人。他的爸爸是苏格兰的小号手,妈妈是合唱队的,他们在结婚前互相听不懂对方的语言。

莫法特的童年非常动荡,他在二战中长大,在他小时候,随时都有可能在上学途中遭遇纳粹袭击,他本人差一点就在伦敦大轰炸中遇难。他曾经上过13个学校,他的课堂常常是空袭避难所。

16岁的时候,莫法特从哥本哈根的 Kaptain Johnson 中学毕业。一开始,莫法特是想上大学的。但是在二战的时候,要上大学的话,就必须要先上预科学校(gymnasium)。预科有面试,但是莫法特遇到的面试官是一个数学家。这次面试的体验极差,这位数学家把莫法特狠狠地羞辱了一番。

当时,这位预科学校的面试官嘲讽他:“莫法特同学,我可以保证你成不了数学家。”就这样,莫法特完全失去了上大学的希望。

更不凑巧的是,他爸因为喝了肺结核病人喝过的咖啡,染上肺结核,不能工作,于是莫法特只能做信童、擦窗、送花等很多工作贴补家用。在对未来的迷茫中,莫法特想要成为画家,于是他攒了钱去巴黎学画画。

1949年,17岁的莫法特来到了巴黎,找到了已经小有名气的画家塞尔日·波利亚科夫(Serge Poliakoff),做他的学徒。

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俄裔画家塞尔日·波利亚科夫和他的作品

但是见到波利亚科夫本人后莫法特才明白,实际上,波利亚科夫即使已经出名,却依然生活在贫困中,卖不了几幅画,晚上甚至要到咖啡馆弹吉他卖艺,唱俄国民谣小曲儿赚钱。

更悲剧的是,莫法特的绘画事业并不成功,钱烧完了以后,他又回到了哥本哈根。

机缘巧合之下,他读了第一个在英语世界介绍相对论的人——物理学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)写的The Nature of the Physical World 和Spacetime and Gravitation。

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莫法特说,爱丁顿的书“让他脑子里的开关打开了,使他产生了理解宇宙真相的冲动。”他从哥本哈根大学图书馆借阅了许多相关的书,并且开始自学本科程度的物理。

爱丁顿的书似乎也让他的数学开窍了。在2个礼拜里,他就学会了微积分,不久就自学完了大学程度的物理。再然后,他开始对爱因斯坦的统一场论(unified field theory)产生兴趣。

当时的主流学派量子力学指出,在观测之前,粒子的位置是不确定的,只能用概率描述,是人类的观测让粒子的位置确定下来。

但是爱因斯坦不承认量子力学,他不相信世界基于人类的观察。他认为量子力学天生残疾,“你相信月亮只在人类观察的时候才出现在那里吗?”所以,爱因斯坦想自己建一个理论,来统一引力和电磁力这两个基本力,吊打量子世界的不合理性。这就是统一场论。

由于学习神速,在驻哥本哈根英国大使馆的助理 John Page 的帮助下,莫法特被安排和爱因斯坦的老对手,丹麦物理学家、诺奖获得者尼尔斯·玻尔会面。

就像爱因斯坦不甩量子力学一样,玻尔也不是很甩爱因斯坦的理论。在这次面试的过程中,玻尔直接说爱因斯坦已经变成了炼金术士,在错误的道路上越走越远。玻尔还告诫莫法特,“沉迷于爱因斯坦的思想是浪费时间。”

不过因为对这个年轻人有好感,玻尔允许莫法特在他的研究所做了一次关于统一场论的报告。但是,在场的物理学家们并不是很友好,他们对莫法特一顿批。

批完了以后,莫法特心情不是很好,冲动之下,1953年,20岁的高中辍学生莫法特写信给了在普林斯顿的爱因斯坦,“我去那里做演讲的主要目的就是打击我的自信”,还附上了自己的两篇论文。在信中,莫法特指出了爱因斯坦用来描述电磁力的数学公式有错误。

让他没有想到的是,爱因斯坦用德语回信了。因为看不懂德语,莫法特让会说德语的理发师帮他翻译。理发师告诉他:“看起来爱因斯坦大佬很把你当回事儿啊。”

在信中,对于数学公式的错误,爱因斯坦说莫法特说的对,他把莫法特看作“智力上的同辈”,并且在接下来的6个月里和他保持通信。

而关于自己孤注一掷的统一场论,爱因斯坦在回信里写道:“亲爱的莫法特,我们目前的状况是这样的,我们站在一个打不开的盒子前面,努力地猜测盒子里有什么,没有什么。”

事后看来,爱因斯坦和这个盒子搏斗了20年,是没有成就的20年,因为他拒绝承认量子力学,而且缺乏终极理论的两个要素。

30年代开始,爱因斯坦在研究的统一场论试图统一宇宙的两个基本力:引力和电磁力。但是后来物理学家发现,实际上宇宙还有其他两种基本力,也就是形成原子核的强相互作用力,和弱相互作用力。换言之爱因斯坦要做的菜少了两个基本的原料,因此当然烧不出正确的味道。

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四大基本力(左-右):电磁力,弱相互作用力,强相互作用力,引力

不过,爱因斯坦的回信还是让莫法特信心大增,并且开始期望走上正经的学术生涯,成为一名登记在案的物理学家。

接着,当地的一家报纸报道了莫法特和爱因斯坦以及玻尔的事情,这个报道被英国驻哥本哈根领馆的人看到了,他们联络了伦敦的英国科学及工业研究部,把莫法特带到都柏林高等研究学院,和薛定谔见面,旅费全包。

莫法特回忆,他到的时候,薛定谔不巧因为支气管炎病倒了,再加上他老婆和女朋友在厨房吵架(你没看错),气氛令人尴尬,于是病怏怏的薛定谔就决定躺在床上,透过他的人设圆眼镜观察这个自学成才的年轻人。

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薛定谔

一开始,他俩唠得不错,但是提到爱因斯坦以后,薛定谔开始生气。

薛定谔其实气的是自己,因为十年前他也曾和爱因斯坦一样试图搞出一个统一场论,不过没搞成。但是现在爱因斯坦居然要重蹈覆辙,你说气不气人。

但是,薛定谔骂完人之后,给莫法特写了推荐信。有了薛定谔的背书,现代宇宙学奠基人丹尼斯·夏玛(Dennis Sciama),也就是霍金的导师也提供了帮助。就这样,剑桥给莫法特发了offer,允许他在没有本科学位的情况下,在剑桥读博。

莫法特就这样一路开挂,进入了剑桥大学。

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莫法特在剑桥三一学院读博

在这个过程中,他结识了当时世界上,也是物理学史上最著名的物理学家,比如量子力学研究先驱、诺奖物理学家沃尔夫冈·泡利,量子力学的奠基人之一保罗·狄拉克,还有原子弹之父奥本海默,并成功和他们谈笑风生。

1958年,莫法特成为剑桥大学800年历史上,唯一一个在没有本科学位证书的情况下,拿到物理学博士学位的人。

毕业后,莫法特在英国、美国、欧洲核子研究中心(CERN)等研究机构工作过一段时间。1963年,31岁的他得到了多伦多大学的教职,一年后,他就成为了终身教授,并在多伦多大学呆了40年。

退休后,莫法特成为了世界著名的物理研究所,加拿大的圆周理论物理研究所的研究者。

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圆周理论物理研究所的斯蒂芬·霍金中心

在大半生里,莫法特一直在挑战自己的现状和舒适区,这让他的职业生涯和理论都显得离经叛道。

讲一个比较著名的。根据爱因斯坦的相对论,光速守恒,但是莫法特却提出,光速不一直是现在的样子,光速是可变的。

实际上,这要从宇宙大爆炸理论无法解释的现象——视界问题(the Horizon Problem)说起。

视界问题最初是得克萨斯大学达拉斯分校的物理学家 Wolfgang Rindler 在1956年发现的。如果你家也有天文望远镜的话,你也可以发现视界问题。

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你可以在天球中随便找一个区域,找一个和我们相距130亿光年的星系,然后另外在相反的方向找一个地方,再观察一下同样遥远的区域。

这两个方向相反的星系相距260亿光年,而且你看见的它俩是它们130亿年前的样子。另外,如果光要从其中一个星系到达另一星系,要花260亿年的时间,光速守恒嘛。

不过呢,宇宙的历史140亿年不到。而根据相对论,没有物质和信息的传播速度能够快过光速。这样一波推理就出现一个奇怪的结论了,那就是你随便找的这两个星系从来都没有物理接触过,从没有发生交集,因为连光都到不了的地方,其他东西更到不了了。

这又怎样了呢?这很奇怪啊,因为宇宙微波背景等观测数据指出,宇宙各处是同质的,星系的分布、温度什么的都差不多。

所以问题就来了。用伦敦帝国理工学院的物理学家乔奥·马古悠(Joao Magueijo)的话说,“宇宙各处的星系分布相对均匀,温度也是一样的。如果它们没有接触过,为什么会这样呢?”

打个比方,如果你和世界另一端的一个人长得一摸一样,你能说你们毫无关系,没有同一个爸爸吗?

这个问题让物理学家们绞尽了脑汁,因此成了关于我们的宇宙形成的主流理论——大爆炸理论(基于广义相对论的宇宙形成学说)的一个系统 bug,后来许多物理学家提出了各种版本的补丁。

其中的一个著名补丁,叫做宇宙暴胀(cosmological inflation)。

宇宙暴胀理论指出,宇宙一开始只有一个质子这么大,物质相互接触,但是在宇宙诞生后的10-36秒,宇宙发生二次爆炸(暴胀),变成之前的1026倍那么大,某些区域互相分离,最后变成我们现在的宇宙,这样就可以解释宇宙的匀质性了。

宇宙暴胀目前是解决视界问题的主流补丁,但是它也有许多问题,最大的问题就是缺乏证据。

因此,其他物理学家就推出了另一个补丁——光速可变理论(Varying Speed of Light),简称VSL。

光速可变理论指出,如果宇宙诞生时的光速和现在一样,宇宙两端的物质就不可能混合,就像茶和奶混合不起来一样,就不可能变成现在这样匀质的宇宙奶茶了。光速可变理论继而提出,在宇宙诞生之初,光速比现在更快,达到了3×1030千米/秒,之后慢慢回落到现在的样子,这就能解释视界问题了。

但是,如果光速可变,许多物理常数就不是常数了,洛伦兹变换、黑体辐射什么的都要改,物理的根基将要发生动摇。难怪一开始有人说VSL理论是智障(Very Silly)理论。

1993年,莫法特给《物理学评论D》 (Physical Review D)递交了一篇论文,阐述了他的光速可变的思想。当时,所有的审稿人都反对他的学说,毕竟这太吓人了,因此他的理论没办法发表在这个知名期刊上。

无奈之下,他只能把自己的论文发表在一个不太有名的意大利期刊International Journal of Modern Physics 上,发表后的几年里这篇论文也没有得到任何反响。

但是到了1999年,马古悠和加州大学戴维斯分校的物理学家 Andrew Albrecht 也提出了光速可变的理论,也投稿到了《物理评论》。但这次,他们的文章居然被发表了。

不过因为莫法特的那篇论文不太有名,所以他们不知道已经有人在他们之前提出了光速可变。看到了马古悠的摘要后,莫法特迅速联系了他们,在最后一刻,马古悠在论文中引用了莫法特的理论。

因为这篇马古悠的论文,莫法特的论文受到了巨大的关注,目前获得了400多次的引用。

而后来,喷 VSL 这个版本的补丁的人也开始少起来了,因为物理学家们发现了支持性的证据。其中一个证据,就是精细结构常数(fine-structure constant)。

精细结构常数和电子的电荷,以及光速,还有普朗克常数——量子力学的基本常数之一有关。一些证据表明精细结构常数会随时间变化,因此光速或许是可变的。于是乎,VSL 理论开始得到物理学家们的重视。

总之,只有这位大佬可以跟人吹:“我是画画不好才来学物理的。”

——《原标题:艺术生自学物理发现爱因斯坦的错误

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