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爱因斯坦和牛顿,谁对物理学的贡献大啊?

2011-09-19

爱因斯坦和牛顿,谁对物理学的贡献大啊?

 

爱因斯坦的贡献:

物质不灭定律,说的是物质的质量不灭;

能量守恒定律,说的是物质的能量守恒。

    虽然这两条伟大的定律相继被人们发现了,但是人们以为这是两个风马牛不相关的定律,各自说明了不同的自然规律。甚至有人以为,物质不灭定律是一条化学定律,能量守恒定律是一条物理定律,它们分属于不同的科学范畴。

    爱因斯坦认为,物质的质量是惯性的量度,能量是运动的量度;能量与质量并不是彼此孤立的,而是互相联系的,不可分割的。物体质量的改变,会使能量发生相应的改变;而物体能量的改变,也会使质量发生相应的改变。

    在狭义相对论中,爱因斯坦提出了著名的质能公式:Emc^2

   (这里的E代表物体的能量,m代表物体的质量,c代表光的速度,即每秒30万公里。)

    按照爱因斯坦的理论,如果把1温度为0的水,加热到100水吸收了100卡的热量,这时水的质量也相应增加了。按照质能关系公式计算,1水的质量增加了0.00000000000465

    爱因斯坦的理论,最初受到许多人的反对,就连当时一些著名物理学家也对这位年青人的论文表示怀疑。然而,随着科学的发展,大量的科学实验证明爱因斯坦的理论是正确的,爱因斯坦才一跃而成为世界著名的科学家,成为20世纪世界最伟大的科学家之一。

    爱因斯坦的质能关系公式,正确地解释了各种原子核反应:就拿氦4来说,它的原子核是由2个质子和2个中子组成的。照理,氦4原子核的质量就等于2个质子和2个中子质量之和。实际上,这样的算术并不成立,氦核的质量比2个质子、2个中子质量之和少了0.0302原子质量单位[57]!这是为什么呢?因为当2个氘[dao]核(每个氘核都含有1个质子、1个中子)聚合成1个氦4原子核时,释放出大量的原子能。生成14原子时,大约放出2700000000000焦耳的原子能。正因为这样,氦4原子核的质量减少了。

    这个例子生动地说明:在2个氘原子核聚合成1个氦4原子核时,似乎质量并不守恒,也就是氦4原子核的质量并不等于2个氘核质量之和。然而,用质能关系公式计算,氦4原子核失去的质量,恰巧等于因反应时释放出原子能而减少的质量!

    这样一来,爱因斯坦就从更新的高度,阐明了物质不灭定律和能量守恒定律的实质,指出了这两条定律之间的密切关系,使人类对大自然的认识又深化了一步。

    没有什么大自然的奥秘,是人类所不能认识的;但是,大自然的奥秘又是无穷无尽的。人类永远没有一天完全认识得了大自然,没有一天可以完全知道它的奥秘。只有永不知足,才能不断前进。

    物质不灭定律和能量守恒定律,是自然界的伟大定律。它来自客观实际,又在客观实际中久经考验。多少年来,这两条定律经受了千万次考验,象经得起风吹雨打的宝石一样,闪耀着夺目的光芒。

    物质不灭定律和能量守恒定律,已经成为现代自然科学的基石,同时,它也从根本上给宗教的唯心主义观点以致命的打击,因为物质是不能凭空创造的,也不能凭空消灭,所以谁也不再相信什么上帝创造万物,上帝创造世界的反科学的谬论了。另外,它还雄辩地说明,世界上永远不会有“永动机”。想不花费劳动就从大自然中获取能源,是不可能的。

    定律是客观存在着的。人,虽然不能去“创造”定律,“改造”定律,但是,人可以去发现定律,掌握定律,利用定律。现在,物质不灭宣告和能量守恒守律已经被千百万人所掌握。人们正在利用物质不灭定律和能量守恒定律,去征服自然,改造自然,揭开大自然的秘密!

【著作】

        《关于光的产生和转化的一个启发性观点》

        《分子大小的新测定方法》

        《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》

《论动体的电动力学》

        《物体的惯性同它所含的能量有关系吗?》

        《狭义相对论》

        《广义相对论》

 

牛顿的成就:

 1.力学方面的贡献 

    牛顿在伽利略等人工作的基础上进行深入研究,总结出了物体运动的三个基本定律(牛顿三定律):①任何物体在不受外力或所受外力的合力为零时,保持原有的运动状态不变,即原来静止的继续静止,原来运动的继续作匀速直线运动。②任何物体在外力作用下,运动状态发生改变,其动量随时间的变化率与所受的合外力成正比。通常可表述为:物体的加速度与所受的合外力成正比,与物体的质量成反比,加速度的方向与合外力的方向一致。③当物体甲给物体乙一个作用力时,物体乙必然同时给物体甲一个反作用力,作用力和反作用力大小相等,方向相反,而且在同一直线上。这三个非常简单的物体运动定律,为力学奠定了坚实的基础,并对其他学科的发展产生了巨大影响。第一定律的内容伽利略曾提出过,后来R.笛卡儿作过形式上的改进,伽利略也曾非正式地提到第二定律的内容。第三定律的内容则是牛顿在总结C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的结果之后得出的。

    牛顿是万有引力定律的发现者。他在16651666年开始考虑这个问题。1679年,R·胡克在写给他的信中提出,引力应与距离平方成反比,地球高处抛体的轨道为椭圆,假设地球有缝,抛体将回到原处,而不是像牛顿所设想的轨道是趋向地心的螺旋线。牛顿没有回信,但采用了胡克的见解。在开普勒行星运动定律以及其他人的研究成果上,他用数学方法导出了万有引力定律。

     牛顿把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系中,创立了经典力学理论体系。正确地反映了宏观物体低速运动的宏观运动规律,实现了自然科学的第一次大统一。这是人类对自然界认识的一次飞跃。

    牛顿指出流体粘性阻力与剪切率成正比。他说:流体部分之间由于缺乏润滑性而引起的阻力,如果其他都相同,与流体部分之间分离速度成比例。现在把符合这一规律的流体称为牛顿流体,其中包括最常见的水和空气,不符合这一规律的称为非牛顿流体。

    在给出平板在气流中所受阻力时,牛顿对气体采用粒子模型,得到阻力与攻角正弦平方成正比的结论。这个结论一般地说并不正确,但由于牛顿的权威地位,后人曾长期奉为信条。20世纪,T·卡门在总结空气动力学的发展时曾风趣地说,牛顿使飞机晚一个世纪上天。

    关于声的速度,牛顿正确地指出,声速与大气压力平方根成正比,与密度平方根成反比。但由于他把声传播当作等温过程,结果与实际不符,后来P.-S.拉普拉斯从绝热过程考虑,修正了牛顿的声速公式。

2.数学方面的贡献

    17世纪以来,原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题,例如:如何求出物体的瞬时速度与加速度?如何求曲线的切线及曲线长度(行星路程)、矢径扫过的面积、极大极小值(如近日点、远日点、最大射程等)、体积、重心、引力等等;尽管牛顿以前已有对数、解析几何、无穷级数等成就,但还不能圆满或普遍地解决这些问题。当时笛卡儿的《几何学》和瓦里斯的《无穷算术》对牛顿的影响最大。牛顿将古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法:正流数术(微分)和反流数术(积分),反映在1669年的《运用无限多项方程》、1671年的《流数术与无穷级数》、1676年的《曲线求积术》三篇论文和《原理》一书中,以及被保存下来的166610月他写的在朋友们中间传阅的一篇手稿《论流数》中。所谓“流量”就是随时间而变化的自变量如xysu等,“流数”就是流量的改变速度即变化率,写作等。他说的“差率”“变率”就是微分。与此同时,他还在1676年首次公布了他发明的二项式展开定理。牛顿利用它还发现了其他无穷级数,并用来计算面积、积分、解方程等等。1684年莱布尼兹从对曲线的切线研究中引入了和拉长的S作为微积分符号,从此牛顿创立的微积分学在大陆各国迅速推广。

    微积分的出现,成了数学发展中除几何与代数以外的另一重要分支——数学分析(牛顿称之为“借助于无限多项方程的分析”),并进一步进进发展为微分几何、微分方程、变分法等等,这些又反过来促进了理论物理学的发展。例如瑞士J.伯努利曾征求最速降落曲线的解答,这是变分法的最初始问题,半年内全欧数学家无人能解答。1697年,一天牛顿偶然听说此事,当天晚上一举解出,并匿名刊登在《哲学学报》上。伯努利惊异地说:“从这锋利的爪中我认出了雄狮”。

    牛顿在前人工作的基础上,提出“流数(fluxion)法”,建立了二项式定理,并和G.W.莱布尼茨几乎同时创立了微积分学,得出了导数、积分的概念和运算法则,阐明了求导数和求积分是互逆的两种运算,为数学的发展开辟了一个新纪元。

 3.光学方面的贡献:

    牛顿曾致力于颜色的现象和光的本性的研究。1666年,他用三棱镜研究日光,得出结论:白光是由不同颜色(即不同波长)的光混合而成的,不同波长的光有不同的折射率。在可见光中,红光波长最长,折射率最小;紫光波长最短,折射率最大。牛顿的这一重要发现成为光谱分析的基础,揭示了光色的秘密。牛顿还曾把一个磨得很精、曲率半径较大的凸透镜的凸面,压在一个十分光洁的平面玻璃上,在白光照射下可看到,中心的接触点是一个暗点,周围则是明暗相间的同心圆圈。后人把这一现象称为“牛顿环”。他创立了光的“微粒说”,从一个侧面反映了光的运动性质,但牛顿对光的“波动说”并不持反对态度。1704年,他出版了《光学》一书,系统阐述他在光学方面的研究成果。

4.热学方面的贡献:

牛顿确定了冷却定律,即当物体表面与周围有温差时,单位时间内从单位面积上散失的热量与这一温差成正比。

 5.天文学方面的贡献

    牛顿1672年创制了反射望远镜。他用质点间的万有引力证明,密度呈球对称的球体对外的引力都可以用同质量的质点放在中心的位置来代替。他还用万有引力原理说明潮汐的各种现象,指出潮汐的大小不但同月球的位相有关,而且同太阳的方位有关。牛顿预言地球不是正球体。岁差就是由于太阳对赤道突出部分的摄动造成的。

 6.哲学方面的贡献:

    牛顿的哲学思想基本属于自发的唯物主义,他承认时间、空间的客观存在。如同历史上一切伟大人物一样,牛顿虽然对人类作出了巨大的贡献,但他也不能不受时代的限制。例如,他把时间、空间看作是同运动着的物质相脱离的东西,提出了所谓绝对时间和绝对空间的概念;他对那些暂时无法解释的自然现象归结为上帝的安排,提出一切行星都是在某种外来的“第一推动力”作用下才开始运动的说法。

   《自然哲学的数学原理》牛顿最重要的著作,1687年出版。该书总结了他一生中许多重要发现和研究成果,其中包括上述关于物体运动的定律。他说,该书“所研究的主要是关于重、轻流体抵抗力及其他吸引运动的力的状况,所以我们研究的是自然哲学的数学原理。”该书传入中国后,中国数学家李善兰曾译出一部分,但未出版,译稿也遗失了。现有的中译本是数学家郑太朴翻译的,书名为《自然哲学之数学原理》,1931年商务印书馆初版,19571958年两次重印。

7.牛顿对自然的兴趣:

    由于牛顿在剑桥受到数学和自然科学的熏陶和培养,对探索自然现象产生极为浓厚的兴趣。就在16651666年这两年之内,他在自然科学领域内思潮奔腾,才华迸发,思考前人从未思考过的问题,踏进前人没有涉及的领域,创建前所未有的惊人业绩。1665年初他创立级数近似法以及把任何幂的二项式化为一个级数的规则。同年11月,创立正流数法(微分);次年1月,研究颜色理论;5月,开始研究反流数法(积分)。这一年内,牛顿还开始想到研究重力问题,并想把重力理论推广到月球的运行轨道上去。他还从开普勒定律中推导出使行星保持在它们轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比。牛顿见苹果落地而悟出地球引力的传说,说的也是在此时发生的轶事。总之,在家乡居住的这两年中,牛顿以比此后任何时候更为旺盛的精力从事科学创造,并关心自然哲学问题。由此可见,牛顿一生的重大科学思想是在他青春年华、思想敏锐短短两年期间孕育、萌发和形成的。

    1667年牛顿重返剑桥大学,101被选为三一学院的仲院侣,次年316日选为正院侣。当时巴罗对牛顿的才能有充分认识。16691027巴罗便让年仅26岁的牛顿接替他担任卢卡斯讲座的教授。牛顿把他的光学讲稿(16701672)、算术和代数讲稿(16731683)《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)的第一部分(16841685),还有《宇宙体系》(1687)等手稿送到剑桥大学图书馆收藏。1672年起他被接纳为皇家学会会员,1703年被选为皇家学会主席直到逝世。其间牛顿和国内外科学家通信最多的有R.玻意耳、J.柯林斯、J.夫拉姆斯蒂德、D.格雷果理、E.哈雷、胡克、C.惠更斯、G.W.F.von莱布尼兹和J.沃利斯等。牛顿在写作《原理》之后,厌倦大学教授生活,他得到在大学学生时代结识的一位贵族后裔C.蒙塔古的帮助,于1696年谋得造币厂监督职位,1699年升任厂长,1701年辞去剑桥大学工作。当时英国币制混乱,牛顿运用他的冶金知识,制造新币。因改革币制有功,1705年受封为爵士。晚年研究宗教,著有《圣经里两大错讹的历史考证》等文。牛顿于1727331(儒略历20日)在伦敦郊区肯辛顿寓中逝世,以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯特教堂。

   《光学》和反射式望远镜的发明,光学和力学一样,在古希腊时代就受到注意。用于天文观测的需要,光学仪器的制作很早就得到了发展,光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名,但折射定律直到牛顿出生之前不久才为荷兰科学家W.斯涅耳所发现。玻璃的制作早已从阿拉伯辗转传入西欧。16世纪荷兰磨制透镜的手工业大兴。把透镜适当组合成一个系统就可成为显微镜或望远镜。这两种仪器的发明对科学发展起了重大作用。在牛顿之前,伽利略首先把他所制作的望远镜用在天象观测上。枷利略式的望远镜是以一片会聚透镜为目镜、一片发散透镜为物镜的望远镜。还有当时盛行的由两片会聚透镜组成的开普勒望远镜。两种望远镜都无法消除物镜的色散。牛顿发明以金属磨成的反射镜代替会聚透镜作为物镜,这样就避免了物镜的色散。当时牛顿制成的望远镜长6英寸,直径1英寸,放大率为3040倍。经过改进,1671年他制作了第二架更大的反射式望远镜,并送到皇家学会评审。这台望远镜被皇家学会作为珍贵科学文物收藏起来。为了制造反射式望远镜,牛顿亲自冶炼合金和研磨镜面。牛顿自幼爱好动手制模型,做试验,这对他在光学实验上的成功有极大帮助。光的颜色问题早在公元前就有人在作猜测,把虹的光色和玻璃片的边缘形成的颜色联系起来。从亚里士多德以来到笛卡儿都认为白光是纯洁的、均匀的,是光的本质,而色光只是光的变种。他们都没像牛顿那样认真做过实验。

因此,平心而论,我认为牛顿对物理学的发展贡献更大,尽管我更喜欢爱因斯坦。

 

 爱因斯坦的相对论和量子论(1

  无论是对非科学家还是对科学家来说,相对论简直就是本世纪科学革命的同义语,而对于那些知情者来说,量子论(尤其是它的发展形式量子力学)是一次更为伟大的革命。我们将看到爱因斯坦作为科学家的伟大之处,他对这两场革命都做出了根本性的贡献。

  谈到相对论,我们必须记住有两种不同的相对论理论:一是狭义相对论(1905),它研究时间,空间和同时性问题,由此推导出著名的质能关系式Emc2。二是广义相对论(1915),它研究引力问题。尽管两种相对论都是革命性的,但对相对论革命的探讨主要集中在狭义相对论的结果上。然而,真正促成全世界对狭义相对论引起重视的事件是1919年广义相对论的一个预言——星光经过太阳附近时,会因太阳引力场的作用而发生偏转——获得了证实。这次验证是在一次日蚀时进行的天文观测完成的,这一事件立即使相对论风靡全世界,而爱因斯坦也一夜之间成了家喻户晓的人物。

 

狭义相对论

  爱因斯坦于1905年首次提出狭义相对论原理,论文发表在《物理学年鉴》上,同年,他对狭义相对论作了重要补充,并为辐射问题建立了最初形式的质能关系式。1907年,爱因斯坦完成了一篇的相对论的综述文章,其中包含一般形式的质能关系式Em2。他的卓越论文建立了全新的质量,时间和空间概念,并向明显简单的同时性观念提出了挑战。最初,爱因斯坦提出了"相对性原理",并引进了"另一个假设""在任何给定的惯性系统中,无论发光物体是处于静止状态还是在作匀速运动,光在真空中的传播速度都是一个确定值C"。相对论的伟大意义在于,它抛弃了"绝对"时空观以及空间充满了以太的思想;而在当时,以太被视为是光和其它形态电磁波的传播媒介。

  现在看来,19056月爱因斯坦关于相对论的开创性论文在《物理学年鉴》上发表,是理论革命阶段的典型例子。我们在第2章中已经看到,M.玻思19051906年间在哥廷根研究"运动物体的电动力学和光学"时,竟然从未听说过爱因斯坦和他的工作。1906-1907年间,英国剑桥大学的情况亦是如此。根据爱因斯坦妹妹的回忆(佩斯1982150-151),爱因斯坦当时"想象在有名的,拥有众多读者的杂志上发表论文,便会立即引起注意"。当然,他期望"强烈的反对和最严厉的批评",但缺少反响和"冷处理"反而使他"非常失望"。不久,他收到M.普朗克的一封信,就论文中几处疑点提出问题,这使爱因斯坦感到"异乎寻常的高兴",因为普朗克是"当时最伟大的物理学家之一"。相对论后来迅速变成了物理学家感兴趣的议论和研究课题。这种戏剧性转变主要是由于普朗克较早且较深入地介入了相对论研究所引起的。爱因斯坦论文发表的第二年,普朗克就开始在柏林讲授相对论理论,但他当时讲演的基础不是爱因斯坦的工作而是洛伦兹的电子论。1907年,普朗克的助手冯·劳厄(后来的诺贝尔奖金获得者)发表了一篇关于相对论的专论。

  19069月,普朗克在德国物理学会上发表了关于相对论的演讲(同年刊登在杂志上);1907年,在普朗克的指导下,KV.莫森格尔完成了第一篇专论相对论的博士论文(佩斯1982150-151)。佩斯指出,早期介入这一领域的人实在是太少了。乌尔茨堡的Y.劳布和布莱斯劳(乌罗斯劳)的L.拉登伯格是为数不多的几个例外。劳厄曾经来到伯尔尼拜访爱因斯坦,他发现难以置信的是,这个'年轻人"竟然是"相对论之父"。几年后,冯·劳厄撰写了一篇非常出色的介绍相对论的学术论文。冯·劳厄在1917324日写给爱因斯坦的信中,表达了对自己的物理学革命性工作的兴奋之情:"终于实现了!我的关于波动光学的革命观点发表了"。他接着写道:在"这一紧要关头",它们"无疑会激起每一个保守的物理学家最强烈的憎恨";但"我仍然要坚持这些备受谴责的观点"

  除了队玻恩自己介绍了他是怎样每一次听说相对论的之外,我们还从L.英费尔德那里了解到当时的一些情形。英费尔德(195044)曾谈到他的朋友S.洛里亚教授告诉他的一件事,洛里亚的老师"克拉克大学的维特科夫斯基教授(他是一位非常伟大的教师)"读了爱因斯坦1905年关于相对论的论文后,冲着洛里亚兴奋地喊道:"读读爱因斯坦的论文吧,又一个哥白尼诞生了!"又过了一段时间(玻恩说是1907年)洛里亚在一次物理学会议上遇到了玻恩,他向被恩谈起爱因斯坦,并问他是否读过那篇相对论论文。结果,"不光是玻恩,在场的每一位都从未听说过爱因斯坦"。英费尔德的故事说,他们立即"跑到图书馆,从书架上取出《物理学年鉴》第17卷,开始读起爱因斯坦的论文"。英费尔德说,M.玻恩立即认识到相对论的伟大,同时感到有必要对它进行数学形式化。英费尔德认为,玻思后来对相对论的研究工作,"是早期对这一科学领域做出的重要贡献"

  最初,表示愿意接受爱因斯坦狭义相对论的物理学家很少,因此不足以在世界范围内引发一场科学革命。但德国理论物理学家中却有一部分拥护者。19077月,普朗克在致爱因斯坦的信中说:"相对论原理的倡导者仅仅形成了一个不大的圈子",由此他坚信,他们之间"取得意见一致尤显重要"(佩斯1982151)。"相对论原理"既体现了普朗克个人偏爱的洛伦兹理论,也体现了爱因斯坦的相对论,然而,爱因斯坦的声望在持续增长,尽管仍然缓慢,1907年秋,J.斯塔克(《放射性和电学年鉴》的编辑)写信给爱因斯坦,要求他写一篇相对论的评述文章。1906年普朗克曾使用过相对性理论的术语(米勒198188),但1907年爱因斯坦采用了今天人们更熟悉的名称——相对论。第一篇引用爱因斯坦相对论论文的文章是W.考夫曼1905年撰写的。他认为爱因斯坦的"研究……与洛伦兹的研究在形式上是相同的",只不过后者有益于推广。考夫曼最后说,他自己的实验数据驳倒了爱因斯坦和洛伦兹的电子理论,我们将稍后再来研究这个问题。

  lop年,B.爱伦菲斯特写了一篇以爱因斯坦理论为主题的论文。第二年(1908),H.闵科夫斯基发表文章,把爱因斯坦理论从根本上转化为数学形式,"大大简化了狭义相对论"。经过这样几个步骤,理论革命才变成了真正的科学革命。佩斯(1983152)指出,从1908年开始,爱因斯坦的名声及影响迅速提高。

 

  爱因斯坦的学术生涯开始坦荡起来了。1909年春,他从伯尔尼瑞士专利局一个地位低微的审查员,一跃而成为苏黎士大学理论物理学助理教授,这很明显是由于他在固体量子论方面所做的工作。爱因斯坦的推荐人之一写道:爱因斯坦"当属最伟大的理论物理学家之列"(佩斯1982185)。"由于相对论原理方面的工作,他正受到极其广泛的重视"lop78日,爱因斯坦获得了日内瓦大学的荣誉学位,同时获得这项荣誉的还有化学家W.奥斯特瓦尔德和M居里夫人,他在这个职位上只呆了两年,19113月他来到了布拉格,晋升为德国卡尔·费迪南大学正教授。在那里工作了16个月后,F.弗兰克接替了这个职位。爱因斯坦又返回苏黎士,担任综合技术学院的物理学教授。

  当然,影响接受狭义相对论的困难主要是观念上的,但也的确存在实验上的障碍。在1905年开创性的论文的结尾,爱因斯坦推导出一个电子横质量公式。这个公式与洛伦兹理论中的公式极其相似,其中的差异很快就被消除了。于是,这两种理论能给出相同的结果。但是,考夫曼在分别发表于19021903年的论文中指出,他的实验结果与洛伦兹理论(同样适用于爱因斯坦理论)的预言有很大差异,爱因斯坦对这些结果无动于衷(见米勒19818192333-334)。1906年,考夫曼在《物理学年鉴》(一年前爱因斯坦发表相对论论文的同一杂志)发表了一篇文章,详细归纳了爱因斯坦的时空观(米勒1981343),并探讨了洛伦兹-爱因斯坦电子理论。他总结道,他自己的测量结果于洛伦兹-爱因斯坦理论的"基本假设是不相容的"(见霍尔顿1973189190234-235)。洛伦兹因此写了一封信给彭加勒(米勒1981334-337198220-21),说他自己的"心智已经枯竭"。他对彭加勒说,"不幸的是",他的假说"与考夫曼的新实验矛盾",他认为"不得不放弃它"。但爱因斯坦却坚信:实验数据与理论间"系统误差"的存在说明有"未被注意的误差源";新的更精确的实验一定会证实相对性理论。爱因斯坦的话得到了证实,1908年,AH.布歇尔发表了新的实验结果,完全符合洛伦兹和爱因斯坦的预言。1910年,E.胡普卡的实验对此再次予以确证。而决定性的结果是1914-1916年间获得的。从那以后,各种表明相对论正确性的论据不断出现,且极为丰富。

  随着实验证据的出现,相对论本身进行了根本性的重构。这项工作是哥廷根大学数学教授H.闵科夫斯基完成的。有趣的是,几年前,阅科夫斯基在苏黎世大学教过爱因斯坦数学。1908年,闵科夫斯基发表论文,引进四维"时空"概念,取代了孤立的三维空间与外加一维时间的不相容概念,他还把相对论转化为现代张量形式(这要求物理学家们进一步学习由里奇和列维-西维塔建立的新的数学理论),在相对论中引进专业术语,并明确指出:由相对论观点看,传统的牛顿引力理论已经不够用了(佩斯1982152)。很明显,爱因斯坦开始并没有理解闵科夫斯基工作的意义,甚至认为把他的理论写成张量形式是"多余的技巧"(同上)。但到了1912年,爱因斯坦终于转变过来了;1916年,他以感激的心情承认闵科夫斯基使他大大地简化了从狭义相对论向广义相对论的过渡。爱因斯坦(196156-57)后来着重强调了闵科夫斯基的贡献,他说,如果没有他,"广义相对论……也许还在襁褓中"。英译本经常采用的语句是"no furthr than its longcloths"。尽管"windel"在德文中最普遍的意思是"尿布",但这里的含义显然是:如果没有闵科夫斯基,广义相对论一定还在孕育之中。

  闵科夫斯基的时空观首次公开发表于1907115日的一次演讲中,演讲的标题是"相对论原理"。但这篇演讲直至闵科夫斯基去世后六年的1915年才出版。不过借助在1908年和1909年发表的另外两篇论文,闵科夫斯基的时空观已经流传开了(加里森197989)。闵科夫斯基充分认识到了他的贡献的重要性。在1907年演讲时,他开宗明义地说:"先生们,我想向诸位讲述的时空观念……从根本上是全新的,……由此,孤立的空间和时间观念本身将注定要消失在阴影之中"。事实上,闵科夫斯基在这篇演讲的初稿上,把他的新时空观的"特征"说成是"革命的",而且是"极端革命的"(同上,98)。可是,在讲演稿最后付印时,"革命的"这类词语被删除了。

  M.玻恩向我们讲述他最初阅读爱因斯坦论文时的经过,这让我们了解到爱因斯坦的概念是多么深奥难懂,甚至对于那些没有数学问题的人也是如此。1907年,当洛里亚向他介绍爱因斯坦论文时,玻恩正是H.闵科夫斯基大学研究班的成员,因此,"对相对性思想和洛伦兹变换很熟悉"。他回忆说,即便如此,在阅读爱因斯坦论文时,"爱因斯坦的推理超出我的意料之外"。玻恩发现,"爱因斯坦的理论是全新的和革命性的",是天才的创造。爱因斯坦的观点"I.牛顿建立的自然哲学以及传统时空观大胆提出了挑战"。现在看来,玻恩确实认识到了爱因斯坦思想革命和理论革命的威力,但也清醒地看到了真正的科学革命尚未到来。新的观念和新的思维方式仍在研究之中,要科学家们接受、应用并作为他们共同的思想基础还须假以时日。玻恩后来明确指出,事实上,爱因斯坦理论是如此激进,如此新奇和革命,以至必须"做出相当努力才能很好地消化和吸收"。而且他还提醒我们,"并不是每个人都能够或愿意这么做",看来他本人当初是做到了。爱因斯坦革命要求人们普遍接受关于物质世界的全新的思考方式。

  1909年美国科学家G.刘易斯和R.托尔曼发表的文章,清楚地说明了接受爱因斯坦假说的实际困难。他们承认爱因斯坦的相对性原理"综合了大量实验事实,没有出现矛盾的反例",其中他们列举布歇尔的实验作为支持这一理论的重要依据。然而,他们在感到相对论基本"原理"这一方面无可挑剔时,也感到另一方面暴露出的问题。例如,"绝对运动无法观察到"这一普遍原理表示理解时,他们觉得相对于任何独立观察者光速不变的原理令人难以接受(米勒1981251252)。他们认为,后一原理将导致长度和时间相对性的"奇异结论",这可能是"基于某种感官心理学上的科学幻想"

  时间一年年地过去,越来越多的物理学家终于转变了过来。然而,他们当中有许多人只接受爱因斯坦公式,承认"收缩性"是光速不变性引起的空间问题的基础。但是,他们仍然坚持绝对时间和同时性的信仰(包括洛伦兹在内,见米勒1981259)。19114月,法国物理学家B.朗之万在波隆那哲学家大会上发表演说,为相对论增添了更为轰动性的色彩。朗之万是一位卓越的科学家,爱因斯坦曾经说过,如果他没有发现狭义相对论,朗之万将会发现它。在讨论时间相对性或钟慢问题时,朗之万没有采用爱因斯坦那种利用运动时钟和静止时钟解释时间效应的费解的作法,而是用所谓的"孪生子悖论"取代了爱因斯坦的"时钟悖论",并立即成为众所皆知的由相对论引出的怪物。相对论的时间问题是这样产生的:如果一对孪生兄弟一个留在地球上,另一个去星际空间旅行,那么当旅行的兄弟返回地球时,竟会发现与留在地球上的兄弟的年龄已经不同了。朗之万列举的另一个例子是,旅行者沿直线飞向一颗恒星,绕其一周后原路返回。如果旅行的速度足够大(当然比光速小),最后旅行者将发现,在他两年的旅行中,地球已经度过了漫长的两个世纪。哲学家H.相格森后来承认,正是朗之万19if4月的演讲,"第一次唤起了我对爱因斯坦观念的注意"

 

  时钟(或孪生子)悖论很快成为(在某种程度上今天仍然是)相对论使人困惑甚至招来敌意的原因。V.劳厄曾谈到那些反对相对论的"思想内容"、基本公式或数学结果的人。1911年他写信给爱因斯坦,反对相对论的共同理由"主要是时间相对性和由此产生的悖论"。劳厄在1912年写的第一部相对论教科书中指出:这些悖论和其它有关时间相对性的问题具有"伟大的哲学意义",正是由于这一原因,"只能用哲学方法"对待这些问题。我们还注意到,爱因斯坦在1911年讨论这一见解时,使用了理想实验的方法。他假设把装有"小生物的盒子"送向"遥远的飞行旅程",结果在它返回地球时,"盒子的内部情况几乎没有变化",而留在地球上的生物已"繁衍生息许多代了"

  尽管许多人不愿轻易接受爱因斯坦对物理学基本思想进行彻底重构,但他们却已在应用爱因斯坦的数学结果了。劳厄(和另一些人)曾指出,这些数学结果在形式上和洛伦兹理论的结果是一致的,但它们的'物理本质'御有差异。劳厄甚至宣称(1911),两种理论的"实质差别是不可言喻的"。但人们很快就认识到爱因斯坦的理论更加优越,特别是在广义相对论建立之后,狭义相对论的重要性尤其显露出来。

  大约到了1911年,爱因斯坦的狭义相对论已经有了数量足够多的拥护者,一场科学革命发生了。同一年,A.索末菲宣布,相对论理论已经"完整地建立起来了,它不再是物理学的前沿了"(米勒1981257)。1912年初,刚刚获得1911年度诺贝尔物理学奖的W.维恩建议,授予爱因斯坦和洛伦兹这项最高奖赏。他在推荐书上写道:从"逻辑的观点看",相对论原理"应当被看作理论物理学最重要的成就之一"(佩斯1982153)。他说,目前已有"实验明确证实了这一理论"。他总结说,"洛伦兹是发现相对论原理数学内容"的第一人,而爱因斯坦则"成功地将相对论简化为一个简单的原理"

  当然,并不是所有物理学家都接受这一革命性的新观念。范德瓦尔斯在1912年说,至今还不能解释为什么质量和长度随着速度的变化而变化(米勒1981258)。除了时间相对性引起悻论外,在否定绝对长度、时间和质量方面还引起了更根本性的反对意见,而"同时性的相对性"也是很难令人接受的。然而更加困难的是抛弃以太概念。如果没有介质支承,光和其它电磁波如何在空间存在呢?反对意见和声势如此强烈,也可看作是新理论革命性质的一个标志。

  在众多的反相对论的观点中,普林斯顿大学的WF马吉教授(1912293)很有代表性。19if年,他在美国物理学会作会长就职演说时说,相对论原理不能满足这样的标准:任何"真正有用的终极答案……应当为每一个人所能理解,包括训练有素的学者及一般公众"。对他来说,相对论无法使人理解,因为它不能"用普通的,任何人都能明白的力,空间和时间概念来描述"。可是他显然并不清楚,牛顿的力和惯性的概念在1687年时是多么新奇!他显然也不懂得,除了少数几个学过理论物理学的人之外,真正懂得力和概念这些"普通概念"的人是多么稀少!

  马吉还宣称,"应当问问相对论发展中新思想的创造者,他们是否认识到这一理论的用途是多么有限,是否认识到它用可理解的术语描述宇宙是多么的无能为力"。他准备"警告他们最好先收起他们的辉煌理论,除非能够通过简化,利用普通物理学概念圆满解释相对论原理"

 

  LT.莫尔1912年在《自然》杂志(191294370371)上发表评述文章,总结归纳了马吉演说中的观点,并就科学革命作出了以下论述:

 

  爱因斯坦教授的相对论和普朗克教授的量子论已被喋喋不休地宣布为自牛顿时代以来科学方法上最伟大的一场革命。他们用数学符号作为科学的基础,拒绝承认数学符号背后潜在的坚实的实验基础,因而用主观宇宙取代客观宇宙。从这一角度来看,他们的做法无疑是革命的。问题是,他们这样做是前进还是倒退,是走向光明还是陷入黑暗?一般认为,伽利略和牛顿开创的革命依靠科学家们的实验方法取代了学院派的形而上学方法,这显然是正确的。而现在,所谓的新方法似乎恰恰相反,因此,如果这里包含什么思想革命的话,那事实上不过是返回到中世纪的繁琐哲学的方法中去。

 

  大约在20年后,LT.莫尔(现任辛辛那提大学研究生院院长)在他撰写的牛顿传记(1933333)中,仍然表达了他对"爱因斯坦教授广义的相对论"的厌恶,他指责这是"通向唯心主义哲学的最大胆的企图;这样的哲学只是灵活思维的逻辑游戏,完全无视客观世界的事实;它或许是有趣的,但却深深陷入了经院哲学"。他总结道,如果坚持相对论物理学(及其哲学),"将导致科学颓废变质成为中世纪经院哲学和宗教神学"。读者对于莫尔污蔑数学和符号逻辑学的伟大发展也许不会感到奇怪,他写道(同上,332),"值得注意的事实是,两部伟大的著作,两部或许是科学头脑所能做出的最天才的创造,现在正受到攻击:《新工具》受到现代符号逻辑学家的攻击;《原理》受到相对论物理学的攻击"。他最后的结论是:"当现代派被长期遗忘之后,亚里士多德和牛顿将会重新受到尊重;他们的学说将重新获得应用"(同上),从这些事例中我们可以发现,一场科学革命的深度与保守主义的猖狂进攻的猛烈程度以及它给科学思想所带来的根本变化的程度是成正比的。

 

广义相对论

  爱因斯坦曾经说过,即使他没来到这个世界上,狭义相对论也会出现,因为"时机已经成熟"(英费尔德195046),但广义相对论则不然。他怀疑,如果他未建立广义相对论,"它是否会为人所知"。广义相对论被称作"第二次爱因斯坦革命"(同上)。这是一次极大的飞跃,正当许多物理学家开始接受狭义相对论时,它再一次把他们抛在后面。普朗克曾以极大的热情欢迎狭义相对论并成为最早的支持者之一,他曾对爱因斯坦说:"现在一切都要解决了,你为什么还要招惹其它另一些事呢?"爱因斯坦之所以这么做是因为他是一位天才,远远走在了同时代人的前面。他懂得狭义相对论是不完满的,未能解决加速度和引力问题。他后来谈到导致他思想豁然开朗的主要思想(他曾将其称为"一生中最令自己兴奋的思想",见佩斯1982178引用的爱因斯坦的回忆。)是190711月在伯尔尼专利局工作时产生的。这个思想是:"一个人在自由下落时,将感觉不到自己的重量。"他说,这一"最简单的思想"促使他天。始研究引力理论,但直到1915年,他才发表了比较完整的广义相对论理论,第二年他又发表了被一位传记作家称为"钦定版本"的广义相对论,这个理论的建立主要基于英费尔德所说的"三个主题":引力,等效原理,几何学与物理学的关系。理论的核心则是新的引力场定律和引力场方程,有人说,麦克斯韦在电磁场上做过什么工作,爱因斯坦在引力场也做过什么工作。广义相对论引人注目的特征之一是将牛顿力学中的引力简化为四维时空中的弯曲。JH一吉恩斯在《不列颠百科全书》1922年第12版的相对论条目中写道:"宇宙图景"的新情景不再是"三维空间中一片以太海洋的受迫振动",而是"四维空间世界线上的一个纽结"

  广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星的近日点的摄动,该现象指出,轨道上运动的行星在绕太阳运行时,每完成一个周期并非精确返回到空间的原来位置,而是稍稍有些前移。这一事实早在19世纪中叶就已发现,但经典的牛顿天体力学无法对摄动现象做出满意的解释。第二个预言是,光线在引力场中将发生偏转。按照这个说法,星光在经过太阳附近时,将受到太阳引力的影响而偏折。结果是恒星的机位会有一个变化。观测这一现象只有发生日全蚀时才能进行,否则太阳的强烈光线使地面上根本观测不到太阳附近的恒星光线(瑞士天文学家M.施瓦兹柴尔德对这个现象做了详细的定量描述)。第二个预言通常被称为谱线"红移",即恒星辐射总是背离我们而去。这就是广义相对论提出的三项检验方法。但我们知道当时正是1915年,第一次世界大战的硝烟笼罩在各科学发达国家的上空。爱因斯坦正在柏林,不可能进行任何日蚀观测。

  但爱因斯坦没有停止工作,1917年,他在《普鲁士科学院院刊》上发表论文,题为《广义相对论宇宙观》。尽管其中的结论已被抛弃,但这篇论文开辟了理论物理学的一个新领域。爱因斯坦指出,"义相对论能为我们的宇宙结构……问题带来希望之光"。科学的宇宙学研究由此创立,它把宇宙从形而上学的一个分支转变为物理学和天文物理学的一部分(英费尔德195072"论爱因斯坦和宇宙学",见佩斯1982&15)。

  英国无文学家A.爱丁顿在战时研究了爱因斯坦的著作(见第25章),并很快成为爱因斯坦思想的忠实信徒和热情宣传者。他后来写了大量著作,包括权威性的《引力相对论理论报告》(1918),学术著作《相对论的数学理论》(1923),两部通俗著作《空间,时间和引力》(1920)以及《物质世界的本质》(1928),此外还有大量的演讲,文章和小册子。PAM.狄拉克回忆说,他在布里斯托尔大学读书时,就是通过爱丁顿的著作才最初接触到相对论的。更为重要的是,第一次世界大战刚一结束,爱丁顿立即在1919年组织了一支英国日蚀观测队,去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。与预言相符观测结果立即震撼了全世界的科学家和公众。

  今天很难想像1919年世界科学界的无限兴奋之情。两支观测队分别出发,一个派往巴西的索布拉尔,另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。1919年秋,观测数据进行了整理和分析后,在116日召开的英国皇家天文学学会和皇家学会的联席会议上天文学家们宣布:"星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生了偏折。"皇家天文学会的侧察部杂志和《皇家学会会刊》都对历史性的会议作了充分报道。著名科学家JJ.汤姆森是会议主席,他宣称:这是"自牛顿以来引力理论的一项最重要的成果",是"人类思想的最伟大的成就"。第二天,1919117日,历来严谨的英国《泰晤士报》赫然出现了醒目的标题:"科学中的革命",两个副标题是"宇宙新理论""牛顿观念被推翻"118日,《泰晤士报》又发表了另一篇论述革命的文章,标题为"科学革命""爱因斯坦挑战牛顿""杰出物理学家的观点"。文章告诉读者,"这件事成了下议院热烈讨论的话题";卓越的物理学家,皇家学会会员,剑桥大学J.拉莫尔教授"受到围攻,要求对牛顿是否被击败,剑桥大学是否垮台做出答复"。荷兰的报纸也迅速刊登了这一消息。HA.洛伦兹在119日的《鹿特丹报》上发表文章,《纽约时报》立即翻译转载。1123日,M.玻恩也在《法兰克福大众报》上发表文章。1214日,爱因斯坦的照片刊登在《柏林画报》周刊的封面上,照片下的文字说明宣称:爱因斯坦开创了"人类自然观的一场革命";他的洞察力堪与哥白尼、开普勒和牛顿相比(佩斯1982308)。在124日《自然》杂志的一篇文章中,E.昆宁翰指出:爱因斯坦的"思想是革命性的"

  A.佩斯(1982309)曾核查了自1919119日开始《纽约时报》索引中有关爱因斯坦和相对论的文章标题或传奇故事。"爱因斯坦理论的胜利""十二智者书"连接在一起(其中谈到爱因斯坦警告出版商的话"全世界不会有再多的人懂得它")。该报不仅刊登传奇故事,而且还发表了社论,相关文章持续见报,直至当年12月佩斯发现,从那以后直到爱因斯坦去世,《纽约时报》没有一年不刊登有关爱因斯坦的文章,爱因斯坦成了一位传奇人物。当爱因斯坦1921年去伦敦时,霍尔丹勋爵在皇家科学院的一次演讲中,把爱因斯坦引见给了大家。爱因斯坦住在霍尔丹的别墅里,当爱因斯坦来到他家时,霍尔丹的女儿见到这位著名的客人后,竟"激动得昏了过去"(佩斯1982312)。霍尔丹在皇家科学院介绍爱因斯坦时,谈到在这次演讲之前,爱因斯坦"已经到西敏寺大教堂瞻仰了牛顿的墓地"

  自那时起直至现在,科学家和非科学家,历史学家和哲学家撰写的著作都把(广义和狭义)相对论与"革命"紧紧地联系在一起了。1912年,霍尔丹在他的著作《相对论时代》(第4章)中谈到这个问题时写道:"爱因斯坦开创了我们关于物理学观念的革命"。对于哲学家K.波普尔(惠特罗196725)来说,爱因斯坦使"物理学革命化"。物理学家M.玻恩(19622)和S.伯吉亚(197982)的表述分别是:爱因斯坦的"革命时空观""爱因斯坦革命"。玻恩(19652)还说:"IM年的狭义相对论"是标志物理学"古典时期的终结和新纪元的开始"的一件大事。S.温伯格(197922)认为,爱因斯坦最伟大的成就是,"他第一次把时间和空间纳入了物理学的体系,从而脱离了形而上学的束缚"。按照数学家A.玻莱尔(19603)的说法,爱因斯坦"不仅带给我们新的物理学理论,而且教给了我们认识世界的新方法"。因此,"凡是学习过他的理论的人,不可能再按他们过去的思维方式进行思考了"。西班牙哲学家J0.伽塞特在他的著作中没有明确使用革命一词,但他却宣称:爱因斯坦的"相对论是当今最重要的智慧成果"。因此,爱因斯坦相对论在开创物理学革命的同时,也引起了一场哲学革命。

  事实表明,广义相对论比狭义相对论更能满足本书第3章提出的科学革命的检验标准。但是,广义相对论的发展史比起狭义相对论来更显得艰难曲折。很长一个时期,只有天文学家(而且只是那些研究宇宙学的天文学家)对广义相对论感兴趣,物理学家则不然,S.温伯格(198120)指出:"在最基本的层次上研究物质的物理学的全部现代理论,在很大程度上依靠两大支柱",一是"狭义相对论",一是"量子力学"。塞格尔(197693)在回顾2O年代和30年代物理学家们的活动时,也特别指出:"与狭义相对论相对应的广义相对论,目前尚不是物理学家们感兴趣的前沿课题"。这也就是说,广义相对论与狭义相对论不同,它对于当时主要的研究课题如物质理论和辐射理论并不是必须的。例如,在我30年代末攻读物理学研究生时,几乎所有的课程如原子物理学,量子力学甚至一些基础课和专业基础课都涉及到狭义相对论,但只有少数数学家(在GD.伯克霍夫的激发下)研究广义相对论。另外,广义相对论暗示,建立得最为成功的理论物理学的一个分支——牛顿万有引力理论——犯了一个根本性的错误或说它并不完整,而且广义相对论还引进了"四维时空的弯曲"这一奇特的概念来解释引力。我们应当懂得,伟大的1919年日蚀实验只是定性地说明了光线传播将受引力场的影响,更精确的日蚀实验则是以后的事了。但是,在爱因斯坦最初提出的三项检验方法之外,再找到新的方法可能又要过去数十年。温伯格曾指出,只有在"爱因斯坦建立他的理论40年之后"(温伯格198121),才能构想出并完成新的更精确的实验,证实广义相对论。

  第二次世界大战结束后的几十年间,世界发生了很大的变化,在实验室进行精确的验证实验已经成为现实。于是,人们对引力的本质,引力与自然界的其它几种基本力(电磁力,强相互作用,弱相互作用)的关系问题产生了新的兴趣。庞大的物理学和天文学"工业"日益兴起,集中研究广义相对论及其在宇宙学和宇宙论研究中的应用。其他的物理学分支也是如此。结果正如S.温伯格所预言的,人们一项重要的共识是,为了"弄懂超短距离的万有引力",还需要"另一次伟大的飞跃"198124),另一次革命,"建立更加普遍适用的原理",而目前我们对此还没有任何概念。一句话,广义相对论今天已成为科学家乐此不疲的研究课题,热情之高或许是前所未有的。

 

斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking194218日在英国牛津出生,曾先后毕业于牛津大学和剑桥大学三一学院,并获剑桥大学哲学博士学位。他之所以在轮椅上坐了46年,是因为他在21岁时就不幸患上了会使肌肉萎缩的卢伽雷氏症,演讲和问答只能通过语音合成器来完成。英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授,当代最重要的广义相对论和宇宙论家,是本世纪享有国际盛誉的伟人之一,被称为在世的最伟大的科学家,还被称为宇宙之王194218日生于英国牛津的霍金刚好出生于伽利略逝世300周年纪念日之时。70年代他与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理,为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。他还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减。这很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起。1973年,他考虑黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像黑体一样发出辐射,其辐射的温度和黑洞质量成反比,这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小,而温度却越变越高,它以最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义,它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。 
  1974年以后,他的研究转向量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论,但它的一些特征已被发现。例如,空间-时间在普郎克尺度(10^-33厘米)下不是平坦的,而是处于一种泡沫的状态。在量子引力中不存在纯态,因果性受到破坏,因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。 
  1980年以后,他的兴趣转向量子宇宙论。 
  20047月,霍金修正了自己原来的黑洞悖论观点错了,信息应该守恒。
  本书的副题是从大爆炸到黑洞。霍金认为他一生的贡献是,在经典物理的框架里,证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性,黑洞越变越大;但在量子物理的框架里,他指出,黑洞因辐射而越变越小,大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平,而且整个宇宙正是起始于此。 
  理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化,但就观念而言,现在已经相当完备了。 
  霍金的生平是非常富有传奇性的,在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之一,他的贡献是在他20年之久被卢伽雷病禁锢在轮椅上的情况下做出的,这真正是空前的。因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响,所以媒介早已有许多关于他如何与全身瘫痪作搏斗的描述。所以说,上帝对每个人都是很公平的。他有身体上的缺陷,可头脑聪明的很!尽管如此,译者(许明贤)之一于1979年第一回见到他时的情景至今还历历在目。那是第一次参加剑桥霍金广义相对论小组的讨论班时,门打开后,忽然脑后响起一种非常微弱的电器的声音,回头一看,只见一个骨瘦如柴的人斜躺在电动轮椅上,他自己驱动着电开关。译者尽量保持礼貌而不显出过分吃惊,但是他对首次见到他的人对其残废程度的吃惊早已习惯。他要用很大努力才能举起头来。在失声之前,只能用非常微弱的变形的语言交谈,这种语言只有在陪他工作、生活几个月后才能通晓。他不能写字,看书必须依赖于一种翻书页的机器,读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公桌上,然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般地逐页阅读。人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬意。从他对译者私事的帮助可以体会到,他是一位富有人情味的人。每天他必须驱动轮椅从他的家——剑桥西路5号,经过美丽的剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学和理论物理系的办公室。该系为了他的轮椅行走便利特地修了一段斜坡。 
  在富有学术传统的剑桥大学,他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职务,那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。 
  本书译者之一曾受教于霍金达四年之久,并在他的指导下完成了博士论文。此书即是受霍金之托而译成中文,以供占人类五分之一的人口了解他的学说。
  他还证明了黑洞的面积定理。霍金的生平是非常富有传奇性的,在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之一。他担任的职务是剑桥大学有史以来最为崇高的教授职务,那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。他拥有几个荣誉学位,是英国皇家学会会员。
  他因患渐冻症(肌肉萎缩性侧索硬化症 卢伽雷氏症),禁锢在一把轮椅上达40年之久,他却身残志不残,使之化为优势,克服了残废之患而成为国际物理界的超新星。他不能写,甚至口齿不清,但他超越了相对论、量子力学、大爆炸等理论而迈入创造宇宙的几何之舞。尽管他那么无助地坐在轮椅上,他的思想却出色地遨游到广袤的时空,解开了宇宙之谜。
  霍金的魅力不仅在于他是一个充满传奇色彩的物理天才,也因为他是一个令人折服的生活强者。他不断求索的科学精神和勇敢顽强的人格力量深深地吸引了每一个知道他的人。
  他被誉为在世的最伟大的科学家”“另一个爱因斯坦”“不折不扣的生活强者”“敢于向命运挑战的人
[编辑本段]相关作品
  
  《时间简史续编》 作为宇宙学无可争议的权威,霍金的研究成就和生平一直吸引着广大的读者,《时间简史续篇》是为想更多了解霍金教授生命及其学说的读者而编的。该书以坦白真挚的私人访谈形式,叙述了霍金教授的生平历程和研究工作,展现了在巨大的理论架构后面真实的。该书不是一部寻常的口述历史,而是对二十世纪人类最伟大的头脑之一的极为感人又迷人的画像和描述。对于非专业读者,本书无疑是他们享受人类文明成果的机会和滋生宝贵灵感的源泉。
  《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》,是由霍金1976-1992年间所写文章和演讲稿共13篇结集而成。讨论了虚时间、有黑洞引起的婴儿宇宙的诞生以及科学家寻求完全统一理论的努力,并对自由意志、生活价值和死亡作出了独到的见解
  《时空本性》80年前广义相对论就以完整的数学形式表达出来,量子理论的基本原理在70年前也已出现,然而这两种整个物理学中最精确、最成功的理论能被统一在单独的量子引力中吗?世界上最著名的两位物理学家就此问题展开一场辩论。本书是基于霍金和彭罗斯在剑桥大学的6次演讲和最后辩论而成。
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  《果壳中的宇宙》该书是霍金教授继《时间简史》后最重要的著作。霍金教授在这本书中,再次把我们带到理论物理的最前沿,在霍金教授的世界里,真理甚至比幻想更令人眼花缭乱,缤纷多彩。霍金教授用通俗的语言解释制约我们宇宙的原理,并加之以他独特的热情,邀请我们一起进行宇宙之旅,做非凡的时空遨游。
  《时间简史——从大爆炸到黑洞》(1988年撰写)霍金畅销书-《时间简史》这本书是霍金的代表作。作者想象丰富,构思奇妙,语言优美,字字珠玑,更让人咋惊,世界之外,未来之变,是这样的神奇和美妙。这本书至今累计发行量已达2500万册,被译成近40种语言。
  在这本书中,霍金将试图勾勒出我们心目中的宇宙历史——从大爆炸到黑洞。在第一讲里,他将简要地回顾过去关于宇宙的构想,并说明我们是如何得到目前的图像的。这或许可以称之为宇宙史的历史。
  第二讲将解释牛顿和爱因斯坦的两种引力理论为什么会都得出这样的结论——宇宙不可能是静态的,它不得不或是膨胀,或是收缩。而这又意味着,在前200亿年到前100亿年之间,必定有某一时刻,那时宇宙的密度为无穷大,这就产生了所谓的大爆炸。它可能就是宇宙的开端。
  第三讲将谈谈黑洞。黑洞是当某个巨大的星球,或者更大的天体,受其自身引力吸引而自行塌缩(塌陷并紧缩)时形成的。根据爱因斯坦的广义相对论,任何蠢得掉进黑洞的傻瓜都会永远消失,他们将无法再逃出黑洞。而有关他们的历史,则将到达一个奇点,一个痛苦的终点。不过,广义相对论是经典理论——也就是说,它没有考虑量子力学的不确定原理。
  第四讲将讲述量子力学如何允许能量从黑洞泄漏出来。黑洞并不像人们所描绘的那样黑。
  第五讲将把量子力学思想应用于大爆炸和宇宙的起源。这就得出了这样的设想:时空可能在范围上有限,但没有边缘。这或许类似于地球表面,但它多了两维。
  第六讲将说明这个新的边界条件如何能解释这个问题:尽管物理学定律是时间对称的,但过去与未来为什么如此大不相同?
  最后,第七讲将讲述我们正如何试图找寻一种统一的理论,它能把量子力学、引力以及物理学中其他所有相互作用都包容在内。如果我们做到了这一点,我们就真正理解了宇宙以及我们在其中的位置。
  该书不是一部寻常的口述历史,而是对二十世纪人类最伟大的头脑之一的极为感人又迷人的画像和描述。对于非专业读者,本书无疑是他们享受人类文明成果的机会和滋生宝贵灵感的源泉。《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》,是由霍金1976-1992年间所写文章和演讲稿共13篇结集而成。讨论了虚时间、有黑洞引起的婴儿宇宙的诞生以及科学家寻求完全统一理论的努力,并对自由意志、生活价值和死亡作出了独到的见解。在三年工作量并不巨大的学习之后,他获得了一等自然科学荣誉学位,之后进入剑桥大学研究宇宙学,当时牛津大学还没有宇宙学这个专业。尽管他希望能够跟当时在剑桥的弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)身边做研究,但是他的导师却是丹尼斯·西艾玛(Dens Scama)。在获得博士学位之后,他成为一名研究员,后来成为冈维尔和凯厄斯学院(Gonvlle and Caius College)的教授。 
  1992年耗资350万英镑的同名电影问世。霍金坚信关于宇宙的起源和生命的基本理念可以不用数学来表达,世人应当可以通过电影——这一视听媒介来了解他那深奥莫测的学说。本书是关于探索时间本质和宇宙最前沿的通俗读物,是一本当代有关宇宙科学思想最重要的经典著做,它改变了人类对宇宙的观念。《时间简史续编》 作为宇宙学无可争议的权威,霍金的研究成就和生平一直吸引着广大的读者,《时间简史续篇》是为想更多了解霍金教授生命及其学说的读者而编的。该书以坦白真挚的私人访谈形式,叙述了霍金教授的生平历程和研究工作,展现了在巨大的理论架构后面真实的
  《乔治开启宇宙的秘密钥匙》中文版发行于2008年年初,这本书由史蒂芬·霍金、其女儿露西·霍金、其学生克里斯托弗·加尔法德所著,是史蒂芬·霍金的儿童科普三部曲之一,这本书当中论黑洞以及很多部分都简述了霍金的新想法,这本书在国内外好评如潮。
[编辑本段]霍金的量子力学最新进展
  霍金希望解开宇宙诞生之时的奥秘,1970年代时,霍金将量子力学应用于解释黑洞现象,但是在之后的30年中,用量子力学解释整个宇宙已经变得更加困难了。霍金想找到一套可以完美解释整个宇宙现象的理论来说明137亿年诞生直到现在的宇宙,但是多年过去了就算无限接近他仍然没有得出结论。按照他的量子力学理论,宇宙诞生是大爆炸产生的,这是一个被压缩的无限小却具有超大重力的物质(也可以理解成密度无限大)爆炸的产物。量子力学的理论范畴不能够解释这一个过程是如何进行?为什么会这样?霍金说那必须有一套可以描述小规模重力的理论。最新的科学突破是霍金的同事,伦敦玛丽皇后学院的麦克·格林(Michael .Green)参与建构的超弦理论,简称为弦论,这理论指出所以粒子和自然力量,其实都是在震荡中的像弦一样的微小物体,解决了霍金一直想努力解答的重力问题,这个理论必须建立在宇宙必须有910甚至是大于11个的维度中,而我们身处的三维世界可能仅仅是真正的宇宙的其中一个膜...目前为数众多的世界各地科学家正在太空和地球做相关的实验来证明弦论以及从实验来证明从而支持霍金的黑洞理论和量子理论。
[编辑本段]膜上的四维量子力学诠释
  类似10维或11维的弦论=振动的弦、震荡中的象弦一样的微小物体。
  霍金膜上四维世界的量子理论的近代诠释(邓宇等,80年代):
  振动的量子(波动的量子=量子鬼波)=平动微粒子的振动;振动的微粒子;震荡中的象量子(粒子)一样的微小物体。
  不掷骰子的上帝-爱因斯坦,决定论量子论诠释的解决方案、模板:微粒子振动+振动+平动的矢量和。
[编辑本段]2004年-霍金悖论与信息守恒
  2004721,在爱尔兰都柏林举行的17届国际广义相对论和万有引力大会上,霍金的态度来了个180度转弯,表示自己原来的观点错了,信息应该守恒。宣布了他对宇宙黑洞的最新研究结果:黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样,对其周遭的一切完全吞食,事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息实际上可能会在某个时候释放出来:信息守恒。原因是先前把黑洞想得太理想化了,把黑洞热辐射也想得太理想化了。不过,霍金一直没有给出严格的证明来支持自己的新观点。索恩表示此事不能由霍金一个人说了算,他仍坚持信息不守恒的看法。普瑞斯基则表示没有听懂霍金的演讲,不明白自己为什么赢了。目前,这一牵扯到量子论基础的敏感问题还远未解决。
  黑洞理论的研究已经超出了黑洞本身,它不仅通过信息疑难触及了量子论的重要基石——幺正性,而且掀开了探讨时间性质的新篇章。
  20世纪60年代到80年代,黑洞研究取得了重大进展。最初人们认为黑洞是一颗死亡了的星体,什么东西都可以掉进去,但任何东西都跑不出来。1974年霍金证明黑洞有温度、有辐射。霍金辐射的发现使黑洞和霍金本人都变得家喻户晓。
  20世纪80年代以后,黑洞研究的重点逐渐从温度转向信息佯谬。人们早已知道,黑洞外部观测者会失去形成黑洞以及后来落入黑洞的物质的几乎全部信息,这就是无毛定理。著名的霍金辐射理论.所谓是指信息。黑洞只剩下总质量、总电荷和总角动量3可以被外界探知。人们最初认为,虽然外部观测者不能探知黑洞内部物质的信息,但这些信息并没有从宇宙中消失,只不过隐藏在了黑洞的内部。霍金辐射发现之后,人们知道黑洞中的物质最后将全部转化为热辐射,而热辐射几乎不带出任何信息。这样,形成和落入黑洞的物质的信息将从宇宙中消失,信息不再守恒,不仅重子数守恒、轻子数守恒等定律不再成立,量子论的幺正性也将受到破坏。面对如此严重的理论困难,物理学家展开了激烈的争论。理论物理学家大都相信信息守恒,坚信幺正性这一量子论的基石不会被破坏。总之,信息应该守恒。以霍金和索恩为代表的相对论专家则认为信息不一定守恒,幺正性完全有可能被破坏。为此,霍金和索恩与坚信信息守恒的普瑞斯基打赌。
  "这种理论从诞生之初就遇到了麻烦:它同很多科学家坚持的"信息守恒定律"互为矛盾.这一度被人们称为"黑洞悖论". 
  如同19世纪的科学家断定了能量守恒定律一样,20世纪的许多科学家提出了信息守恒一说——假如这个说法成立,那么"信息守恒定律"无疑将成为科学界最为重要的定律,也许比物质,能量守恒定律的意义更为深远.霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是"信息"在黑洞中是否能够保存,守恒."

 

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来自:大海115  > 自然科学
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