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泥客推荐:史上物理学的最强科普集合(2)

2017-08-19 10:55:54 文章来源:泥客论坛 字体:

下面,就让我们按照时间顺序,回顾一下人类整合四种自然力的历程:

1、黎曼,支撑爱因斯坦的巨人

牛顿曾经说:“如果说我比别人看得更远些,那是因为我站在了巨人的肩上”。按照牛顿的这种说法,黎曼毫无疑问正是支撑起爱因斯坦的那个巨人。

一八五四年六月十日,一套新的几何学诞生了。黎曼在德国哥廷根大学发表了著名的演说,彻底撼动了两千年来从未被动摇过的欧几里德几何学。

黎曼是位数学奇才,高中时期只用区区六天时间完全吸收了《数论》(Theory of Number),那是一部八百五十九页的艰涩巨著。

黎曼挑战希腊几何学,认为纵然欧几里德的数学运算极为精确,它的根基却只是常识与直觉的流沙,而不是扎实的逻辑推演结果。

比如,欧式几何说三角形三个内角之和等于一百八十度,但这个看似简单的问题,在数学史上却从来没有被严密证明过!而且,假如我们身处弯曲表面的世界,这个公式就不成立了。(行文至此,我们必须向欧几里德先生表达诚挚的敬意!每次想到他老人家两千多年前写就的《几何原本》至今仍然是全世界的中学课本,我就不寒而栗!那些至今未被严密证明过的公理,一个生活于公元前300年的希腊人是如何发现的呐?如果这个世界有“神迹”,欧先生当之无愧是其中之一!)

说回到黎曼,他的研究领域甚至延伸到电学,他认为电力与磁力实际上是同一种作用力的不同表象。据此他发展出作用力新解,作出了牛顿两百年以降的首次划时代重大突破,彻底推翻了牛顿的超距作用原则,他认为:作用力源自于几何学,作用力只是由于几何结构扭曲所造成的必然现象。(牛顿以降,科学界认为作用力是一种两个遥距物体的即时交互作用,一个物体可以即时影响间隔一段距离的其他物体的运动。)

我们总结一下黎曼的伟大之处:

1、他以多维空间理论简化了所有自然作用力;认为电力与磁力和重力一样,只是高维空间弯曲产生的结果。

2、他提出了虫洞(warmholes)的概念,黎曼切口是多重连结空间的一个最简单范例。

3、他以“场”来描述重力,以“度量张量”(Riemann metric tensor)描述空间里每一个点的重力场。(所谓“度量张量”,其实就是一组数字,类似坐标。)

黎曼英年早逝,并未找出电力与磁力的场方程式,也没有计算出空间要褶皱到什么程度才足以描述不同的作用力,这几项重要发展留给了麦克斯韦尔和爱因斯坦。

2、爱因斯坦,御光飞行者

1、狭义相对论,光速恒定⇒ E=mc²

我们赞美阳光!它不仅孕育了的生命,同时也照亮了人类的思想。爱因斯坦,是那个御光飞行、穿越时空的人。

爱因斯坦小时候,常以简单问题自问自答:“如果你追上一束光线,它看起来是什么样子?你会不会看到一束静止的光波,冻结在时间中?”这个问题,让他在后五十年里,带领人类走进了时空神秘之旅。

十六岁时,爱因斯坦发现世界上似乎并没有能够追上光速的东西。二十六岁时,他用严密的数学证明了这一发现。在瑞士专利局担任低阶职员的他,用麦克斯韦尔的场方程式推导出狭义相对论(special relativity)。

用一句话概括狭义相对论,那就是:光速在任何恒动架构里恒为常数。这个定理表面上看并不显眼,但确是人类心灵的最伟大成就之一!

爱因斯坦指出,无论我们怎样加速,无论我们自身的速度如何,人们所能测量的光速是一样的。

对于这一结论,爱因斯坦给出了超脱凡俗的解释,他认为:导致这个结果的原因是:时间变慢了!(这是石破天惊的一句)也就是说,我们移动的越快,我们的时钟就走得越慢,我们的量尺也越短,所以,我们测量的光速是不变的。

爱因斯坦进一步思考:那么,几乎所有的物体都必须使用时钟与量尺来测量,既然时间和量尺都是变化的,所以我们必须校正所有的物理量(quantity),于是他导出了下一个重大的结论:质量是从能量来的。

这个结论,一举推翻了十九世纪的两大物理发现:质量守恒和能量守恒。自此以后,质量与能量被视为单一单位:质-能(matter-energy)。

二十六岁的爱因斯坦同时给出了质能变动的方程式,那就是著名的 E=mc²。

让我们再来追寻一下狭义相对论的推导过程:

光速恒定⇒时间变慢⇒质量不恒定⇒“质量-能量”相互转换⇒ E=mc²

狭义相对论,统一了“时-空”,也统一了“质-能”。

统一了“时-空”以及“质-能”之后的爱因斯坦,进一步思考“时空”与“质能”之间的关系,也就是狭义相对论所忽略的加速度,还有重力。

这关乎了他的下一个巨大成就:广义相对论。

2、广义相对论,空间是弯曲的⇒力学=几何学

再次,爱因斯坦由一个简单问题开始:“如果一个人处于自由落体状态,他就不会感觉到自己的体重?”爱因斯坦透过这个简单问题掌握了重力的基本特性:在加速度架构下的自然律和重力场的定律是一样的。这就是所谓等效原理(equivalence principle)。

透过等效原理,爱因斯坦重新思考关于光速的问题:光速会受重力影响吗?答案是肯定的,重力场会扭曲光线的行进路线。

但是!但是,根据费玛最短时间原理,光线会采取两点之间的最短时间路径,爱因斯坦再次得出一个令人震慑的结论:如果我们可以观测到光线以曲线前进,那就意味着空间本身是弯曲的!(光以曲线前进这一预测,已经被后人的无数次实验反复证明。)

伟大的爱因斯坦进一步得出结论:质能的存在造成周围时空的弯曲。

我们前面讲过,数学家黎曼早在一八五四年就提出了作用力与空间弯曲的关系,并提出了重力场论。爱因斯坦利用黎曼的研究成果,用数学形式表达了他自己的物理学新发现,这就是广义相对论(general relativity)。

让我们再来追寻一下广义相对论的推导过程:

光线以曲线前进+光线走两点间最短时间路径⇒空间是弯曲的⇒“质-能”造成“时-空”弯曲⇒力学=几何学

爱因斯坦的伟大,止步于他的第三次尝试!

在狭义和广义相对论之后,他终其一生研究统一场论(unified field theory ),简单说,就是试图寻找一个公式,能够同时描述光与重力。可惜,他最终没有成功。

对这一问题给出答案的,是Theodor Kaluza和Oskar Klein两位科学家,他们的理论我们称之为“克鲁查-克莱因理论”,简单说,这个理论就是:在五维空间里,将光与重力的理论统一了起来。

可是,第五维到底在哪里?克鲁查说:第五维已经崩解成一个圆圈,它的体积实在太小了,连原子都装不下,因而也无法测量。一九二六年,克莱因甚至计算出第五维的尺寸只有10E-33公分(10的负33次方),而探测如此微小距离所需要的能量也就是是所谓蒲朗克能量(Planck energy),相当于10E 20亿电子伏特,百万兆倍于质子蕴藏的能量。

克鲁查-克莱因理论在当时并未收到广泛关注和普遍认同,领一时风气之先的是另一套全新的理论:量子力学(quantum mechanics)

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