科学城遇到的怪事(3)
在E城的第三天,他们早早就到了E城五区。
这个活动区有一个巨大的圆形建筑,入口处挂着一块牌子,上面写着:这是一个根据爱因斯坦理论设计的建筑,占地约4公顷,主体建筑是一个半径为100米的圆形旋转舞台。整个舞台由一根粗大坚实的刚性轴支撑,可以等效为每秒38万转匀速旋转的效果,边缘的线速度可以达到0.8C,构成一个弯曲的时空区域。
看完介绍,一位工作人员走过来,把他们领进了这个巨大建筑的内部。抬头根本看不到舞台的旋转,和平时看到的大舞台没什么区别。
工作人员对他们说:“这个舞台看起来是静态的,跟半径100米的大圆舞台一样。事实上,它正在平稳地高速旋转。这个舞台上有一股超强的力量会把你径向向外推。力与你的位置到舞台中心的距离和角速度的平方的乘积成正比。工作台旋转的角速度约为ω = 2.4× 10 6弧度/秒。所以这个径向向外的拉力会随着离舞台中心距离的增加而迅速增加,在舞台边缘会是一个很大的力。
“因为舞台上除了中心以外的任何地方都会受到这个力的作用,这就形成了一个力矢量分布的圆形区域:如果舞台上的一个物体的质量为m,它就会受到一个沿径向向外的力,这个力的大小为m * ω 2 * r,这个物体的质量也随着离中心的距离而变化和增大。
你一进入舞台,就会随着舞台高速旋转,所以你还是相对于舞台的。但是,由于巨大的惯性力,我会给你们每人一双魔鞋。当你穿上这双鞋,你可以避开这么强的径向向外的力,就像走在一个静止的舞台上。所以,千万不要在舞台上脱下魔鞋。没有这双鞋,你可能会被扔到舞台周围的墙上,立刻被砸成碎片。"
然后他说:“我会给你们每人发一个形状和结构都一样的钟,用来测量舞台上不同地方的钟的变化;测完时间的变化,你要去舞台中央拿一把1米的尺子,这样你就可以在舞台上不同的地方观察它的长度变化,测量舞台的周长,了解舞台空间的几何性质。"
“你听清楚了吗?还有什么问题吗?”
伊鲁问:“如何比较各地钟的差异和各地尺子长度的变化?”能不能具体一点?"
“这个问题问得好。刚才错过了这个问题。无论是测时间还是测长度,最后的结果都是和舞台中央的钟和尺子做比较。舞台中央有一个智能望远镜,可以清晰地看到100米内的图像,可以直接读取时钟上显示的时间,显示尺子的长度。所以当你在做活动的时候,有人可以在舞台边缘或者其他地方,但总有人在舞台中央,你可以通过智能望远镜观察并与舞台中央的时钟和尺子进行对比。
“好了,如果没有问题,你可以穿上刚刚发给你的魔鞋,进入舞台开展活动了。再告诉你一次,不要在舞台上脱鞋,否则后果不堪设想。”
他们三个穿上鞋子,小心翼翼地登上舞台。
陈首先校正了舞台中央的三个钟,留下一个给她,一个给小云带到舞台边缘。另一个给了子叶,子叶站在她和小云中间。
易如看到她周围的钟已经走了整整一个小时。她拿起多功能望远镜。我看到了一个奇怪的景象:小云的钟只跑了37分30秒;子叶中的时钟显示54分54秒。这说明舞台中央的钟走的最快,放在径向的钟会随着径向的延伸走的越来越慢,舞台边缘的钟走的最慢。
小云用这个钟和她熟悉的心跳频率对比,并不觉得慢,但是和欧文的钟对比,她的钟确实慢了,她推断这里的心跳也慢了。
他们三个互相交换,在不同的时间间隔测量,不需要望远镜观察。在将时钟放在舞台边缘一段时间后,他们将它带回来,并与舞台中央的时钟进行比较。他们都观察到了相同的现象:相比之下,舞台中央的时钟走得最快,而舞台其他地方的时钟走得较慢。离舞台中央越远,时钟走得越慢,舞台边缘的时钟走得最慢。
绕着舞台跑了一上午,三个人都累了。他们走出舞台,穿上鞋,去最近的餐厅吃午饭。
吃完饭,他们很快就回来了,穿上魔鞋,回到舞台上。根据上午的安排,下午是测量舞台的周长。
一开始,陈还在舞台中央。小云和子叶走到舞台中央,每人拿了一把一米长的直尺。小云走到舞台边上,子叶在他们中间的位置。
他们首先沿着圆盘的径向放置测量尺。当他们用多功能望远镜观察时,显示的读数都是一米,测量尺没有变化。然后,当他们沿着圆弧的切线方向(垂直于径向)放置一把尺子时,奇怪的事情发生了:易如发现小云的尺子只有0.7米左右,而子叶的尺子有0.92米左右,他们的身体也变窄了。和一区骑自行车的年轻人一样,小云比子叶还“窄”。也就是说,切向放置的尺子会收缩,离舞台中央越远收缩越厉害,而中央的尺子不会收缩。
他们分别用尺子测量了舞台的半径。他们从舞台中心量到舞台边缘,刚好100次,证明舞台半径没有变,还是100米。小云和子叶用手中的尺子顺着舞台边缘走。他们一次又一次地放置尺子来测量舞台的周长。他们凭着自己原有的几何知识知道,这里测得的周长应该是628米左右,但是测了几次,结果出乎意料,接近900米。他们立刻猜到这是把尺子缩短到舞台边缘的结果。
易如好像听爷爷说过,不旋转的舞台表面空间是直的,符合欧几里德的几何关系,而高速旋转的舞台会改变这里的空间和时间,半径和周长的几何关系会不正常,所以欧几里德的几何在这里就失效了。
台上的测量完成后,他们累得已经是下午7点多了。他们回到了旅馆。
?在E城的第四天,他们来到E城六区,参观关于爱因斯坦生平的展览。
爱因斯坦展厅,有大量的图片、信件和文字说明,是对爱因斯坦生平的简要介绍,概括如下。
阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955),20世纪最伟大的自然科学家,可以列为指引人类正确认识宇宙的两位圣贤,是迄今为止最伟大的两位科学家。他开创了两代科技的新时代。1999,19年2月,被美国《时代》周刊评选为20世纪“世纪伟人”。
爱因斯坦于1879年3月出生在德国巴登-符腾堡州乌尔姆的一个犹太家庭。他的父亲在数学方面很有天赋,但因为没钱上学,他不得不辍学经商。我妈妈在音乐方面很有天赋。爱因斯坦年轻时从母亲那里学会了拉小提琴,古典音乐成了爱因斯坦一生的爱好。
爱因斯坦从小就不是一个聪明的男孩。据说他4岁的时候不太会说话。到了中学,除了数学成绩优秀,其他要背的课程,比如语文、历史、地理,成绩都很差。65438-0896考入苏黎世瑞士联邦理工大学师范系学习理论物理。在大学期间,他根据自己的兴趣刻苦自学其他科目。1900年,在韦伯的指导下,以热传导的毕业论文拿到了毕业证。因为习惯独立思考,学习方式落伍,没有取得助教资格,留在学校。
毕业后,爱因斯坦找不到固定工作。贫穷和饥饿驱使他终日为生计奔波,一直没有治愈的肝炎也在此时落下。然而,贫穷并没有动摇爱因斯坦学习科学的决心。他总是在思考他感兴趣的物理课题,构思他的学术论文。
后来,在同学的帮助下,他在伯尔尼专利局找到了一份技术员的固定工作。从1902到1909,他在瑞士专利局工作了七年。
从65438年到0905年,爱因斯坦开始在著名的《物理年鉴》月刊上发表关于理论物理的论文,其中包括关于狭义相对论的论文,题目是《论运动物体的电动力学》。该理论阐述了在接近光速运动时,体积减小、时间变慢、质量增大等一些令人费解的现象,为当时人们无法解释的一些现象提供了清晰合理的解释。
1911年,爱因斯坦是布拉格的大学教授,1912年,他是苏黎世大学的教授。后来在柏林工作,是凯撒威廉物理研究所所长(1914-1933)。
1916爱因斯坦发表了广义相对论的基础,解释了牛顿引力无法解释的水星椭圆轨道的缓慢旋转进动。1919他关于光线穿过太阳引力场后会发生弯曲的预言,被伦敦皇家学会拍摄的日食照片所证实。1921年,爱因斯坦因在光电效应方面的工作(引入光量子和光子思想)获得诺贝尔物理学奖。
从65438年到0922年,爱因斯坦访问了中国,同情和支持中国人民争取民族独立和解放的斗争。“九一八事变”后,他多次以联合经济压制的方式呼吁世界停止日本对中国的军事侵略。1936年,沈钧儒、张乃器、邹韬奋、石亮等“七君子”因鼓吹抗日被捕,他们踊跃参加营救和声援。
爱因斯坦在柏林期间,因一些言论和犹太背景受到怀疑。希特勒上台后,爱因斯坦离开了德国。1934起在新泽西州普林斯顿大学任教,后成为美国人,1940起在该校担任教授。
爱因斯坦也是一位杰出的自由主义者,一位呼吁和平的伟大老人。当德国化学家关于铀原子裂变引起强烈爆炸的可能性的研究引起他的注意时,他在普林斯顿进行了一系列实验来证实这种可能性。在别人的建议下,他于9月给罗斯福写信,1939,要求总统警惕德国可能制造原子弹的可能性。直接促成了曼哈顿计划的启动。二战后,他积极倡导和平,反对使用核武器。并签署了罗素-爱因斯坦宣言。
1952年魏茨曼去世后,以色列邀请爱因斯坦当总统,他婉言谢绝了。爱因斯坦晚年试图通过统一场论(1950)将量子论和广义相对论结合起来,从而将亚原子现象和大尺度物理现象结合成一个理论,即对所谓的统一场进行理论研究。他的努力没有成功。从他一生的研究来看,他总是一个人奋斗在物理学的最前沿,他总是只做最艰难的开创性工作。
在普林斯顿医院,爱因斯坦在睡梦中去世。享年76岁。德国科学家普朗克称爱因斯坦为20世纪的哥白尼。法国物理学家朗之万评论说:“爱因斯坦将走在我们这个时代物理学家的前列。”他是,也将会是,人类宇宙中一级辉煌的巨星。很难说他是和牛顿一样伟大,还是比牛顿更伟大;然而,可以肯定地说,他的伟大可以与牛顿相提并论。在我看来,他可能比牛顿更伟大,因为他对科学的贡献更深入地进入了人类思想的基本概念结构。"
爱因斯坦立了遗嘱,没有讣告,没有葬礼,没有坟墓,没有纪念碑,把骨灰撒在不知名的地方。他的遗体火化时,除了他最亲近的随从,没有人知道这件事。在火葬仪式上,他的遗嘱执行人向他赠送了一首德国著名诗人歌德为纪念他已故的朋友席勒而写的诗:
“我们都受益匪浅,
全世界都感谢他的教导;
那是属于他个人的,
已经传播到大众中,
他就像一颗垂死的彗星,光芒四射,
把无限的光和他的光永远结合在一起。"
展厅里有很多展厅,有的介绍爱因斯坦的中学生活,有的介绍他在瑞士伯尔尼专利局的工作和学习,有的介绍狭义相对论,有的介绍广义相对论,有的介绍他在普林斯顿的工作,等等。天色已晚,陈、等人分别参观了他们最感兴趣的部分并做了简要记录。
直到晚上七点半,他们才回到宾馆。
晚饭后,他们回到自己的房间。他们三人根据走访的记录,整理出对他们影响最深的图片和资料,写下短文,进行交流。
刘被爱因斯坦和他的同学格罗斯曼之间的友谊深深感动了。
她写了下面的话。
爱因斯坦进入联邦理工大学后,花了大量时间热衷于阅读和研究先贤们的科学和哲学著作,但对大多数课程毫无热情,因此经常逃课。他也很反感考试,因为考试强迫学生死记硬背很多东西。
为了应付考试,爱因斯坦借了格罗斯曼的课堂笔记,通过了考试。
大学毕业后,我失业了。父亲生病,事业受挫,无法继续赡养。爱因斯坦,21岁,得自己找出路。他到处跑,到处碰壁,找不到固定工作。他不得不做一些临时工作,帮助人们做一些计算,并成为一名家庭教师,以维持生计。在爱因斯坦穷困潦倒的日子里,他的一个同学是这样描述的:“爱因斯坦,就在附近,只需要拉小提琴,挨家挨户乞讨。”
就在爱因斯坦走投无路的时候,格罗斯曼一本正经地和父亲谈了爱因斯坦的尴尬处境。为此,他的父亲向他的朋友、瑞士联邦专利局局长哈勒极力推荐爱因斯坦。哈勒同意先给他安排一份临时工作,考察一段时间。到1902年6月,爱因斯坦被专利局正式聘为三级技师。从此,他结束了两年多的失业和贫困状况。
1936年,爱因斯坦给格罗斯曼夫人写了一封信,念念不忘这段友谊。信中写道:我回忆起我的学生时代,他(格罗斯曼)是一个无可指责的学生;我是一个离经叛道,爱做梦的人。他和老师关系很好,什么都能懂;而我是个流浪汉,不可爱,但我们是好朋友。
我们每两三周去一次咖啡店,一边喝着冰咖啡,一边聊天。这是我最快乐的回忆。后来我们的学业结束了——我突然被抛弃了,他支持我,感谢他和他父亲的帮助,让我在专利局找到了一个职位。这对我是一种救赎,否则,即使我可能不会死,我的智力也会被摧毁。
爱因斯坦曾经对自然科学比对数学更感兴趣,数学疏远了他。他还认为数学有很多专门的领域,每个领域都可以消耗一个人短暂的生命,所以害怕“陷入”这个领域,耽误物理。
然而,在物理学中,通向更深层物质世界的理论与更深刻的数学形式紧密相连。正是在创立广义相对论的时候,他才完全明白了这一点,觉得自己在数学上遇到了障碍。
为了找到合适的数学理论满足广义相对论的数学表达式,爱因斯坦在1912年又去见了老同学格罗斯曼。当时,格罗斯曼是苏黎世工业大学的数学教授。爱因斯坦的问题立刻引起了老同学的浓厚兴趣。
正是在格罗斯曼的帮助下,他找到了一种合适的数学工具。这是半个多世纪前德国数学家高斯(1777-1855)和黎曼(1826-1866)以及后来的里奇(1853-1925)和他建立的曲面几何。
格罗斯曼为爱因斯坦找到了一个合适的数学理论。1913年,他们两人完成了论文《广义相对论与引力理论大纲》,其中数学部分是格罗斯曼写的。
从这里可以看出,爱因斯坦在大学时代,在一个同学朋友的帮助下,对他的人生产生了多大的影响。如果爱因斯坦得不到这种援助,他的成功可能会有障碍,可能会给人类文明的进步带来损失。
贺小云对爱因斯坦强烈的好奇心、惊奇感和积极的自学精神印象深刻。
她写的短文如下。
当爱因斯坦五岁的时候,他的父亲给了他一个指南针。
他反复拨弄,仔细猜测。他发现无论他如何摆动,指南针上的指针总是指向北方,这让他感到惊讶,也激发了他探索事物根源的好奇心。他猜想这种现象背后一定隐藏着什么,在他心里留下了深刻的印象,以至于60多年后说起这件事时,还能清晰地回忆起当时的情景。
12岁时,爱因斯坦得到了一本关于欧几里得平面几何的小书,他感叹书中许多结论的可靠性和清晰的论证。比如三角形的三个高度相交于一点并不明显,但可以严格证明,不留疑问。这本关于几何的小书对他的影响如此之大,以至于在后来建立的理论的结构和表述中都可以看到。
1953,14年3月,在爱因斯坦74岁生日会上,有人问爱因斯坦:“据说你5岁时受到指南针的决定性影响,12岁时受到欧几里德几何的决定性影响。这些事情真的影响了你一生的工作吗?”
爱因斯坦回答:“我自己也这么认为。我相信这些外界的影响真的对我的发展有很大的影响。”他这样评价好奇心和惊奇的作用:“我们能拥有的最好的体验就是对神秘的体验。是坚守真正艺术和真正科学发源地的基本感受。谁不能体验,谁不再好奇和惊讶,无疑是行尸走肉,双眼迷离。”正是因为爱因斯坦强烈的好奇心和惊奇感,他把别人认为不是问题的东西(时间、空间、引力、质量等。)作为一个值得研究的大问题并取得了很大的成就。
带着强烈的好奇心,他发现了问题。但是,要解决这些问题,他必须有扎实的知识基础。爱因斯坦以顽强的自学精神为自己打下了坚实的基础。
纵观爱因斯坦的自学生涯,有三个重要时期:第一个时期是从10年到15年,他在别人的指导下,有意识地学习一些科学和哲学著作,特别是在12年的时候,他学习了欧几里得的平面几何,他对这些几何定理的证明方法非常着迷;第二是大学四年,他刻苦学习麦克斯韦理论和马赫力学。第三个时期是在伯尔尼专利局做技术员的头三年。他和两个好朋友一起研究和讨论了许多大师的作品。
1955年3月,爱因斯坦在纪念母校百年的回忆录中谈到了他的自学生活:“...安排自己学习适合自己好奇心和兴趣的东西。有些课我听得很有兴趣,但很多课我都‘刷掉’,带着极大的热情向家里的理论物理大师学习。”“我大部分时间在物理实验室工作,痴迷于直接接触经验。剩下的时间主要用来在家里读基尔霍夫、亥姆霍兹和赫兹的作品。”
在伯尔尼专利局工作的最初几年,他和两个好朋友组成了所谓的“奥林匹科学院”——实际上是一个三人自学小组。他们非常热衷于学习,研究和讨论马赫、穆勒、休谟、斯宾诺莎、亥姆霍兹、黎曼、戴德金等人的哲学、物理学和数学著作。尤其是庞加莱的《科学与假说》给他留下了深刻的印象,他们花了几个星期紧张地阅读和讨论这本书。
他们的讨论往往非常激烈。有时候一页半的文字,甚至一句话,都会引起漫长而激烈的争论。一些重要的问题可能会持续几天。
到1904和1905,两位朋友分别离开了伯尔尼,这样的学习和讨论也就停止了。但在此期间,紧张的学习、热烈的讨论、不断的讨论,使得爱因斯坦的许多论文的思想日渐成熟。在这个黄金时代,对爱因斯坦创立狭义相对论乃至一生都产生了重要影响。
正是这种自学的精神,一方面获得了系统的物理和哲学知识;另一方面,他也养成了独立思考的习惯,为自己的成就做好了准备。
陈对爱因斯坦的自然观印象深刻。
她确实写下了她对爱因斯坦言论的理解。
爱因斯坦说,自然是“我们之外的一个巨大的世界,它没有我们而独立存在。它就像摆在我们面前的一个伟大而永恒的谜,但它至少有一部分在我们的观察和思考范围之内。”爱因斯坦告诉我们,自然是不依赖于人类的独立存在。它包含了无数未知的东西,像一个伟大而永恒的谜。但是,人类通过观察和思考,可以了解和探索这种存在所蕴含的种种奥秘,至少可以部分解开这些奥秘。
爱因斯坦将这种存在视为自己心中的神,以虔诚虔诚的心态仰望自己心中的神。这是因为他认为自然表现出一种不可思议的秩序、和谐、对称和统一,表现出一种伟大的美,表现出他心中上帝建造这个世界的超级理性。他说:“世界充满了秩序与和谐,我们只能以谦卑的方式去把握其逻辑的简单之美。”他一生的工作就是了解上帝对世界的看法。他经常说:“我想知道上帝是如何创造世界的。我对这个现象或那个现象不感兴趣。我想知道上帝的心思,其他的都属于细节。”
爱因斯坦从自己对自然统一性的观察和探索中体会到了这种美。他陶醉于大自然的感性之美。他也惊叹于隐藏在大自然深处的理性之美。
爱因斯坦说:“这个世界最不可理解的就是它可以被理解。”也就是说,这个世界是可以理解的,但是为什么可以理解呢?这是无法理解的。
这是我通过这次访问对这句话的理解。
这个世界之所以能够被理解,是因为它是有序的、和谐的,即有一种内在的美,所呈现的现象有因果联系和合理的逻辑关系,这成为我们理解这个世界的基础,使我们能够理解它。另一方面,如果世界是混乱的,不合理的,无组织的,没有因果和逻辑联系的,那么我们就无法理解它。
那么,大自然为什么会有这样的美呢?这是一件很难理解的事情,这也许是这个世界上最不可理解的地方。
“上帝是狡猾的,但他没有恶意。”这也告诉我们,物质世界是可以理解的,因为上帝没有恶意,但今天摆在人类面前的很多问题,却因为上帝狡猾而没有得到解答。
按照计划,他们在E市为期四天的活动结束了。接下来的行程是在市区的龙门和大观楼玩一天,然后在石林玩一天,最后去九乡。
他们预期的一周活动很快就要结束了。