狭义相对论和广义相对论中有一个重要的观点与时间旅行无关。
爱因斯坦是历史上继牛顿之后最伟大的科学家。他是狭义相对论的重要发现者,为量子理论的建立做出了巨大贡献,广义相对论,也就是现代引力理论的建立,都应该归功于他。
19世纪末,麦克斯韦在他的电磁理论中成功地统一了电和磁,并从他的方程中推导出电磁波在真空中传播的速度正好是光速,因此他得出光波应该是一种电磁波的结论。麦克斯韦因为家族疾病只活了48岁,所以没有看到电磁波实验的成功。在牛顿的绝对空间、绝对时间和伽利略的旧相对论原理的框架下,只有以无限大速度运动的物体,在相对匀速运动的坐标系中具有相同的速度,即无限大速度。牛顿的引力被认为是以无限速度传播的,所以在麦克斯韦之前,牛顿的物理被认为是自洽的,而电磁波是以有限速度传播的。在相对论的旧框架下,它的速度会因为坐标系的选择而发生变化,所以他的方程只能在特定的坐标系下成立,相对于一种叫做以太的介质被认为是静止的。于是寻求以太的存在就成了科学的主题。迈克尔逊-莫雷实验的结果否定了以太的存在。爱因斯坦在1905年发表了一篇题为《运动物体的电动力学》的论文,指出如果时空是由四维时空组成的,当参考系以相对匀速运动时,时空的坐标遵循所谓的洛伦兹线性变换,那么包括麦克斯韦方程组在内的所有物理定律都应该采取同样的形式。这样,乙醚的存在就完全没有必要了。爱因斯坦正在发送。
迈克尔-莫雷的实验是否在狭义相对论之前就已为人所知,这仍然是科学史上尚未解决的问题。
这篇论文抛弃了牛顿的绝对时空观,引发了物理学的一场革命。由洛伦兹变换导出的标度、时钟慢度和孪生佯谬都与人的直觉相矛盾。著名的质能等效公式是核能乃至核武器的理论基础。
1900年,普朗克为了解决黑体辐射的紫外灾难,提出了辐射的量子理论,即光辐射必须采取称为量子的波包形式。但只有在爱因斯坦提出光子理论后,人们才真正接受光可以以粒子或光子的形式存在。普朗克是爱因斯坦第一篇关于狭义相对论的论文的审稿人。既然光波可以以粒子的形式存在,那么电子等物质的粒子是否可以以波动的形式存在?这是一个法国研究生德·布罗伊的想法,爱因斯坦得知后立即支持了这个激进的假说。这些都是量子理论发现的前奏。爱因斯坦因其光子理论获得了诺贝尔物理学奖。事实上,爱因斯坦对相对论的贡献要重要得多,但诺贝尔奖委员会对激进相对论持谨慎态度。事实上,诺贝尔奖从未颁发给理论相对论者。爱因斯坦终其一生,从未接受量子论为终极理论。他认为量子力学只是一个唯象理论,终极理论必须是决定性的。我们知道,就目前的情况来看,量子力学并不是自洽的。它仍然受到爱因斯坦-罗森-帕多尔悖论的困扰。近年来,一些研究似乎在一定程度上解除了薛定谔猫悖论的折磨。
狄拉克把狭义相对论和量子力学结合起来,得到了一个非常有成果的量子场论。量子场论是描述所有微观粒子的理论框架。场论可以从狄拉克方程得到。量子场论是描述所有微观粒子的理论框架。反粒子的概念可以从狄拉克方程推导出来。量子电动力学可以描述电子、光子和正电子。
湮灭,创造,相互转化。人们随后发展了当代粒子物理学。
爱因斯坦说过,如果他不发表狭义相对论,别人会在五年内发表。其实洛伦茨和庞加莱当时已经很接近这个结果了。可惜洛伦茨摆脱不了陈旧的时空观念,而庞加莱主要是一位杰出的数学家,所以只有眼光敏锐、思想深邃的爱因斯坦来担当这一历史重任。值得一说
更何况洛伦茨是当时世界闻名的物理学家,庞加莱是法国第一数学家。爱因斯坦大学毕业后,连一个中学老师的职位都找不到,就在朋友的介绍下,在伯尔尼专利局当了一名职员。
他接着说,如果他没有在1915年发表广义相对论,人们至少要等五十年。这个估计很合理。广义相对论是狭义相对论和引力理论相结合的结果。其实验基础之一是伽利略在比萨斜塔的自由落体实验,即引力质量和惯性质量的等效。但是为了充分解释它的物理意义,人们等了300年,也就是直到广义相对论的发现。所以如果不是爱因斯坦,再等50年也是有可能的。当我们浏览《爱因斯坦文集》第六卷时,可以看到他做了许多不成功的尝试,这是人类理性的蹒跚学步。他认为引力场不同于其他物质场,它是通过时空的曲率来体现的。物质弯曲时空,时空是物质的载体,没有物质的时空弯曲就是引力波。所谓广义相对论原理是指物理定律对任何坐标变换都采用相同的形式,狭义相对论原理是指物理定律只对任何坐标变换采用相同的形式,狭义相对论原理是指物理定律只对任何洛仑兹线性变换采用相同的形式。引力场受所谓的爱因斯坦方程支配。它是非线性的,不同于以前所有的场方程。所以物质的运动方程就隐含在爱因斯坦的方程中。引力场方程是一个带椭圆约束的二阶双曲偏微分方程,以时空为自变量,度规为因变量。它的复杂和美丽给任何与之打过交道的人留下了深刻的印象。
在广义相对论的框架内,爱因斯坦计算了引力红移、水星近日点进动和引力场对光的折射。他关于光在太阳引力场附近发生折射的预言,在1919年西非日食的观测中得到了证实。他的方程是如此的困难,以至于他在这些计算中只使用一个近似解,主要依靠他无与伦比的物理洞察力。球对称的精确解——Schwartz解是在这之后才发现的。
他首次用引力场方程研究整个宇宙,开创了理论宇宙学的新学科。可惜的是,因为稳态宇宙的概念如此根深蒂固,他拒绝了演化宇宙的解,他还为此在场方程中引入了一个宇宙常数,人类就这样失去了一个重大的科学预言机会!1929年,哈勃观测到光谱红移与星系距离的线性关系,这就是所谓的哈勃定律。人们将红移归因于宇宙的膨胀,并断言宇宙是由100多亿年前的一次大爆炸产生的,这就是所谓的标准大爆炸宇宙学。
他的场方程还引出了致密天体引力坍缩的解,即史华兹解及其推广,是描述黑洞的解。但爱因斯坦认为物质不可能如此致密,并写道这是荒谬的。然而,历史已经证明黑洞是天体物理学中最重要的物体。近年来的天文观测让人们普遍认为星系中心存在巨大的黑洞。其实宇宙本身和黑洞才是理论物理最奇妙的研究对象。如果抛开宇宙和黑洞,物理学的荣耀将大大逊色!
爱因斯坦对布朗运动、作为激光机制基础的辐射理论、玻色-爱因斯坦统计及其凝聚现象做出了关键贡献。他和玻尔关于量子力学的争论是科学史上持续时间长、影响深远的事件。他坚信自然界所有的相互作用都可以统一成一个函数。统一场论是科学皇冠上的钻石!当代的超对称、超引力、超弦等理论都是统一场论的尝试。
相对论在近四十年取得了很大的进展,特别是经典相对论已经成为一门成熟的学科。相对论在近代的进步主要归功于彭罗斯和霍金。彭罗斯使用整体分析和拓扑工具给深奥的相对论计算一个独特的物理意义。以他的名字命名的彭罗斯图对时空的重要性不亚于费曼图对粒子物理学的重要性。霍金和彭罗斯一起证明了奇胜定理。他独立证明了黑洞面积定理和黑洞视界面积代表了黑洞的熵。他的黑洞蒸发理论统一了量子场论、广义相对论和统计物理,其理论瑰丽夺目如佛光。他的量子宇宙论的无限性假设是研究宇宙创造的科学理论。
利用整体分析和拓扑工具,先进相对论计算被赋予了独特的物理意义。
作者认为,引导爱因斯坦及其后代从事科学家职业的最大动力不是财富、名望或其他更高的目标(尤其是财富和名望可以通过其他更快的手段获得)。他们的主要动机是科学好奇心和科学审美。我们可以在历史上找到很多例子,有多少人只是为了科学而牺牲了他们在世俗世界中的健康、财富和名誉。但人在整个世界上所拥有的一切,除了科学发现和艺术创造的快乐,都可能被剥夺。人类对好奇和美的不懈追求,将引领人类走向更美好的未来!
写于爱因斯坦120岁生日前夕。
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这一次,我执着于面子,任性地沉醉。我不在乎它是对是错。
即使深陷困境,我绝望,即使执迷不悟,我也不后悔