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贤说八道:相对论英雄谱

日期:2019-9-29(原创文章,禁止转载)

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撰文 | 曹则贤 (中国科学院物理研究所)

牛顿力学将对运动的描述设定为位置关于时间的二阶微分方程,此约定被经典物理学奉为圭臬。在这类方程中,出场的角色包括时间、位置、速度(位置对时间的一阶微分)和加速度(位置对时间的二阶微分)。所谓的相对论,就是物理学定律具有关于参照框架(涉及时空坐标、速度、加速度等因素)的变换不变性。从这个角度出发,容易理解为什么相对论经历了朴素的相对论(涉及简单的参照点移动)、伽利略相对论(涉及匀速直线运动)、狭义相对论(匀速直线运动下的时空变换)和广义相对论(加速度与引力,场方程的二阶协变张量形式)等几个发展阶段。顺着这个思路,相对论的世界,至少就笔者的粗浅理解而言,一时变得明朗起来。一个我特别想指出的事实是,相对论是浪漫的拉丁文化和严谨的日耳曼文化的共同结晶。

中国汉代古人

东汉《尚书纬?考灵曜》有句云:“地恒动不止而人不知,譬如人在大舟中,闭牖而坐,舟行而不觉也。”此句已包含伽利略相对论的精髓。《尚书纬 ?考灵曜》收录于明代孙瑴编纂的《古微书》卷一,著者不详。另,北京西山大觉寺现有匾额两块,分别题有“无去来处” 和“动静等观”。相对论的思想,凭此一语道破。

开普勒(Johannes Kepler, 1571-1630)

德国天文学家、数学家。开普勒将关于火星的以地为参照点的位置观测数据换算成以太阳为参照点的数据,从而得出了行星运动的开普勒第一定律(行星轨道为一以太阳为focus (炉子)的椭圆)和第二定律(行星与太阳的连线单位时间内扫过相同的面积,实质为角动量守恒)。以地球为参照点和以太阳为参照点,火星的运动会有不同的表象,但终究都是那个火星的运动。这是关于参照点的变换不变性。

伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)

意大利人,罕见的通才,近代科学的奠基人。 在其1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中,伽利略表述了“不能通过对船舱中物理事件的观察来确立船处于匀速运动中”的思治疗癫痫疾病的方式有多少想。伽利略的表述比《尚书纬?考灵曜》以及宋人陈与义的诗句“卧看满天云不动,不知云与我俱东”宜昌有哪些能治癫痫的医院都更具物理内容。此外,惯性定律、落体公式以及单摆周期公式也都是伽利略的研究成果。

克利福德(William Kingdon Clifford 1845-1879)

英国数学家、哲学家,发展了几何代数,而这只是克利福德代数的特例。克利福德第一个设想引力是(存在之)深层次几何的表现。1870年在介绍黎曼弯曲空间的概念时,克利福德加入了“引力会弯曲空间“ 的猜测,这整整早于广义相对论的思想40年。 1876年,克利福德出版了《论物质的空间理论》一文。

弗格特(Woldemar Voigt,  1850-1919)

德国物理学家,曾领导哥廷恩大学数学物理系,其1914年的继任者是德拜(Peter Debye),1921年该位置的继任者为玻恩(Max Born)。现代意义上张量的概念是他1898年提出的。弗格特于1887年(这一年赫兹证实了麦克斯韦波动方程预示的电磁波的存在)率先给出了保持麦克斯韦波动方程不变的坐标变换,后来洛伦兹给这个变换加上了一项武汉治癫痫病哪里好使得变换具有了群的性质,即后来的洛伦兹变换。弗格特1887年、1888年的两篇同名文章 “Theorie des Lichts für bewegte Medien (运动介质的光理论)”是狭义相对论的理论基础。弗格特是个非常全面的物理学家,其主要著作是1910年出版的Lehrbuch der Kristallphysik (晶体物理教程), 他还是个巴赫专家。

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