English

时空物理简史

2009-04-08 来源:中华读书报 作者:■吴忠超 我有话说
牛顿曾经说过:“我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩……而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋,却全然没有发现。”“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。”

人们通常认为,在这里够格充当巨人的应是哥白尼、伽利略和开普勒。但远为重要的巨人却应该是阿基米德。阿基米德的年代甚至比哥白尼

的年代还早十七世纪。有人说过,他是世界上第一个物理学家,第一个应用数学家。他在物理学的贡献主要是静力学、流体静力学和杠杆原理,在数学的贡献是原始的积分学和无限级数求和。他是有史以来的最伟大的三位数学家之一(另外两位是牛顿和高斯)。尤为奇特的是,在他之前没有一个巨人的肩膀可以让他站上去,可以说他几乎是无中生有的。

牛顿的天才是无与伦比的。他是经典力学的创立者。他发现了白光分解和提出了光的微粒说。他和莱布尼兹各自独立地发现或发明了微积分。牛顿的动力学和微积分是阿基米德静力学和积分学思想的发展。他认为地上的自由落体和星体的运行都起源于万有引力,从而发现了引力定律。

爱因斯坦是牛顿之后的最伟大的科学家。他是狭义相对论的主要创立者,量子论的重要创立者和广义相对论的创立者。他的贡献几乎涵盖了所有物理学领域,甚至涉及化学领域。

在狭义相对论方面,他把伽利略-牛顿体系中的伽利略相对性原理推广到法拉第-麦克斯韦的电磁学体系。他引进了光速不变原理,使得同时性不再是绝对的,进而排斥了超距作用,并导致能量和质量的等效性。

为了使引力论和他的相对论思想相协调,他引进了等效原理,加速坐标系中的惯性力和引力是无法区分的。直至广义相对论的等效原理的提出,伽利略比萨斜塔实验,即惯性质量和引力质量等同的科学含义才得到充分的揭示。引力场由时空的弯曲度规来体现,自由粒子沿测地线运行。物质的分布使时空弯曲甚至改变其拓扑。至此,无论在阿基米德静力学中,还是在牛顿动力学中被认为固定的时空背景才参与到物理演化中来。

爱因斯坦把他的场方程应用于整个宇宙,开创了相对论性宇宙学。爱因斯坦学说变革了人类的时空观和宇宙观。

霍金是剑桥大学卢卡斯数学教授,牛顿和狄拉克是他的这个教席的两位伟大的前任。他是当代最伟大的引力物理学家和相对论家。2007年4月,他在佛罗里达体验了“失重之旅”,以身试法验证了等效原理,可谓现代版的比萨斜塔实验。

霍金的最著名的贡献是发现了弯曲时空的热性,即通常称为黑洞的霍金辐射。在这个场景中,引力论、量子论和热物理得到完美的统一。他由此开创了引力热力学的新学科。

他还把费因曼的量子理论路径积分的方法和广义相对论相结合,提出无边界宇宙的思想,实现了宇宙创生的无中生有的场景,进而摒除了长期困扰人类的第一推动问题。他由此开创了量子宇宙学的新学科。宇宙没有以外,宇宙创生也没有以前,因为宇宙和时空不可分离。霍金认为,这是他的更重要的贡献。

爱因斯坦在悼念好朋友贝索时写道:“对于像我们这些信仰物理学的人而言,过去、现在和未来之间的区别只不过是一种顽固持续的幻象。”众生万象都将在时间中寂灭,唯有科学艺术之花永葆其青春。

手机光明网

光明网版权所有

光明日报社概况 | 关于光明网 | 报网动态 | 联系我们 | 法律声明 | 光明网邮箱 | 网站地图

光明网版权所有