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20世纪物理学革命——引人入胜、发人深思 精选

已有 8078 次阅读 2018-8-6 08:13 |系统分类:海外观察

     20世纪物理学革命是人类思想发展史上光辉的一页。这场革命诞生了现代物理学的四个支柱——相对论、量子力学、基本粒子和宇宙学,所产生的关于空间时间、物质能量、宇宙现实的认知和观念变化,是激进的、引人入胜和发人深思的。

最近读了一本科普好书——《20世纪物理学革命》(英文版)。这本书出版于2013年,作者戴维•J•格利菲斯是里德学院物理学荣誉退休教授。

物理学发展的历史很久远在物理学发展历史上,诞生过巨人,例如,伽利略(1564215日—164218日)、牛顿(1643年1月—1727年3月31日)、法拉第(1791922日—1867825日)和麦克斯韦(1831年6月13日1879年11月5日)17世纪牛顿力学和19世纪麦克斯韦电磁学,建立在严格的科学实验的基础上,具有严密的数学表述,是物理学史上划时代的里程碑,扩大了人们对自然的概念和对世界的认识,形成了经典物理学基本框架

但是,正如本书中指出的,经典物理学理论的主要方面,在很大程度上是与我们的直觉一致的。你可能不会自己想出(毕竟,在牛顿之前没有人)牛顿的第二定律(F = ma),但是一旦它放在桌子上,就感觉它是对的,符合我们的日常经验。经典物理学提炼和完善了我们的直觉——对我们而言,世界的一切都是理所当然的,并没有颠覆它们。

相比之下,20世纪量子力学、爱因斯坦(1879年3月14日-1955年4月18日)和相对论,对人类观念产生的冲击,远超过经典力学和电磁学,其具有的颠覆性是前所未有的。这些理论同样具有严密的数学表述、严格的科学实验,是物理学史上新的划时代里程碑。特别是,20世纪物理学革命是非常违反直觉的,它们似乎与我们认为我们所理解的一切相矛盾,彻底改变了我们对宇宙的理解当然,20世纪在技术上(电子、激光、计算机)也有重大突破,对我们的日常生活有更大的影响,但并没有产生如同量子力学和和相对论观念上的影响。

这本书讨论大爆炸和膨胀的宇宙、弯曲时空、夸克和轻子、反粒子和费曼图。既适用于非科学专业的本科生,也适用于理科专业的本科生。

本书的一大特点是书中包含许多方程式(或等式或公式)。众所周知,史蒂芬·霍金在《时间简史》中曾经引用书商西蒙·米顿的话说:“每个方程式都会使书的销量减少一半!”因而在《时间简史》中只出现一个方程式。 而在《20世纪物理学革命》一书中,有近百个方程式或公式,例如,爱因斯坦速度加法公式、相对论质量公式、相对论动量公式、相对论动能公式,普朗克公式、康普顿光子动量公式、德布罗意波长公式、薛定谔波动方程、海森堡的不确定性公式,电子的势能公式玻尔电子能量公式,哈勃定律、临界密度公式…。

但是,不用担心,这本书的大部分方程式或公式都是很容易理解和掌握的,其描述比较一般科普读物更加清晰、更加深透(不像有些科普读物,大多数人读后只留下朦胧的印象)。当然,正如作者在序言中指出的,这本书并不是供睡前随便翻翻阅读,也不是人人都喜欢的。你当然需要知道一些数学——算术和一点代数。不过,在本书中对一些需要高深数学的方程式(如爱因斯坦广义相对论场方程和狄拉克相对论量子力学方程),也只简单提及,而没有详细介绍。

本书利用问题和实例来帮助读者理解物理学的最新进展。对有关方程式或公式的应用提供生动的示例,还提供许多供读者练习和计算的问题(共计140个问题),读者可以从示例和问题中掌握许多有用的知识。例如:读者可以学会计算宇宙的年龄,即大爆炸以来的时间;计算一个3瓦手电筒(假设它是纯黄光)每秒能发射多少光子;计算一便士硬币(质量是2.5克)的静止能量,如果你能把它所有的静止能量转换成电能,值多少美元;(分别按照经典定律狭义相对论)计算10公里高空的μ子(平均寿命为百万分之二秒,速度通常接近于光速,比如说,光速的99.9%)是否能飞达到地面等等。

物理学家理查德•费曼指出过,物理学之与众不同之处是基本定律需要数学(见理查德•费曼《物理定律的特性》)。方程式(或等式或公式)可以作为自然界物与物之间联系的一种表达方法。正如霍金的长期合作者、牛津大学教授罗杰·彭罗斯指出过,我们平常所起“物理定律”是指两种不同事物间的等式(见罗杰·彭罗斯《宇宙的轮回》)。实际上,在物理学中,许多最重要的物理定律均是用方程式或公式表述。例如,描述牛顿第二定律的公式,描述电磁场性质、特征和运动规律的的麦克斯韦方程组,以及描述时间的膨胀的狭义相对论方程,描述时空的扭曲的爱因斯坦广义相对论方程、描述物理系统的量子态如何随时间演化的薛定谔方程等等。物理学科普应该能够以合适的方式介绍有关方程式,以满足知道一些数学知识的读者需求。

20世纪物理学革命》这本书还介绍了爱因斯坦、普朗克、玻尔、薛定谔、狄拉克、玻恩、泡利、海森伯、德布罗意、费曼、汤川秀树、伽莫夫、哈勃、彭齐亚斯和威尔逊等近50位物理学家在科学领域做了什么和真正说了什么。

值得一提的是,本书提供的脚注(共计138条),补充了一些史实,或阐述作者个人观点。例如,在第3章的一个脚注提到:爱因斯坦著名的 “上帝不掷骰子”,实际上是他在1926年12月4日致玻恩的信中写到的一个常见的意译。当1927年他在第五次索尔维会议上重申了这一主张,玻尔被反驳说:“爱因斯坦,停止告诉上帝该怎么做。”又如,第3章在谈到薛定谔方程时,说:“很好。但是关于粒子这个‘波函数’告诉我们什么?薛定谔不知道,当(1926马克斯·玻恩提供答案时,薛定谔不相信”,加脚注:这是一个有趣的历史事实,量子力学的主要奠基人爱因斯坦、德布罗意和薛定谔从未完全接受该理论的最终形式。再如在第5章,谈到爱因斯坦在1916年出版了他的广义相对论之后不久,发现它预言了一个不稳定(膨胀或崩溃)的宇宙,爱因斯坦认为这是荒谬的。用一个“修正系数”,著名的宇宙学常数(Λ),在其理论中引入了一个长期的排斥力来抵消引力,从而稳定了宇宙。加脚注评论说:他为什么认为它如此荒谬对我来说是个谜。牛顿的引力理论也预言了一个不稳定的宇宙,原因完全相同:所有物质都会被吸引。但是在1917年,每个人都想当然地认为宇宙是静态的。不过,在这本书中,也没有提到宇宙学常数的值在20世纪90年代末被测定。

20世纪物理学革命引人入胜。我是在夏天里读这本书,虽然天气炎热,还是深深为此书所吸引,爱不释手。

20世纪物理学革命发人深思。那是人才辈出的年代。例如,瑞士专利局的年轻职员爱因斯坦(自然不会有如同“千人”之的头衔),能够在国际上名声大振。又如,上文提到的索尔维会议,能够聚集现代物理学理论的主要创建者、如此多的诺贝尔获得者(已获得的和后来获得的)一起讨论,更是前所未见。1927年索尔维会议的一张照片可能大家都看到过(下图,引自网络,并非20世纪物理学革命》那本书),其中,最年长的普朗克已经69岁,爱因斯坦48岁,最年轻的狄拉克才25,折射出那时代浓烈的学术气氛后来这些与会者的名字都出现在现代物理教科书,如:薛定谔波动方程、狄拉克相对论性量子力学方程和狄拉克符号、玻恩波函数概率拴释、泡利不相容原理、海森伯不确定性原理和德布罗意波等。在这个会议上爱因斯坦和玻尔的论辩,更是一段佳话。

                                           

(照片来自网络,作了标注)

附件是20世纪物理学革命》一书的目录:

 

《20世纪物理学革命》目录.pdf




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