史上物理学最强的科普!( 三 )


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”(Riemannmetrictensor)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

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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(specialrelativity) 。
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 。
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(equivalenceprinciple) 。
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 。 )

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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 。