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DDSSN005-「爱因斯坦」先生(III) 精选

已有 5261 次阅读 2015-5-8 15:12 |系统分类:科普集锦

承前文DDSSN003-「爱因斯坦」先生(II)]

前两文简要叙说了「爱因斯坦」先生的一些生平趣事轶闻,这篇短文则是针对他的科学生涯和成就,做一简单的概述。首先,「爱因斯坦」先生在他26 岁时,就获得了瑞士苏黎世大学(University of Zurich)的物理学博士,在1905 年时,他连续发表了 5篇,对近代物理学影响深远的旷世巨作,其中主要有三:

1)他率先提出「光(light)」是由个别「量子(quanta)」所组成,但其集体运动时也能具有「波(wave)」的特质,这个认知也开启了后世有关「量子理论(quantum theory)」的研究,而他自己进一步的「光电效应(photoelectric effect)」研究,更为他赢得了1921 年的「诺贝尔物理学奖」。

2)证实原子(atom)的存在以及「布朗运动(Brownian Motion)」(此「布朗运动」指的是颗粒(particles)在液体中的不规律运动,其名称来自最早观察到此现象的植物学家 Robert Brown)。

3)首度提出最为后世称道的「特殊/狭义相对论」,认为「时间(time)」和「空间(space)」为不可分割的实体,但和观察者的运动有关。另外,光速(cthe speed of light)对所有不同的观察者而言,不论位居何处,永远为常数(constant;即不变),接着再依其进一步的数学演绎,发现「质量(mmass)」和「能量(Eenergy)」两者实为一体的两面,而且能以 E = mc2 的物理方程式表之。

当然,因为今年是他发表「一般/广义相对论(General Relativity)」的一百周年纪念,就容我多说几句。首先,有别于上述的「特殊/狭义相对论」,它侧重于时间、空间、质量和能量的阐述,「一般/广义相对论」主要是针对「引力(Gravity)」这个物理量和现象而来。更重要的是,基于(1)物理定律对所有的观察者而言都是一样的(the laws of physics appear the same to all observers)以及(2)光速(每秒 299,338 公里)为常数(the speed of light is unchanging)这两大原理,爱因斯坦进一步认为宇宙间并没有恒定的参考坐标(there is no fixed frame of reference in the universe),也就是说宇宙间万物都是相对的,这也就是为什么他的理论,称之为「相对」论的由来。其中「特殊/狭义相对论」,只是「相对论」中的特例,是针对在一等速运动下的参考坐标,而「一般/广义相对论」则是应用在加速运动下的参考坐标

事实上,早在爱因斯坦发表「一般/广义相对论」之前(1915 年),我们对物体运动的理解,主要是依据牛顿(Isaac Newton)的运动定律(the law of motion)。1687 年,牛顿在他「萭有引力」的论述中,认为那种让苹果坠地和地球绕着太阳公转的「力(force)」都是同一种力(即「引力」),但是他从来没说清楚,这所谓的「引力」,由何而来?这时(1738年),出现了一位影响后来爱因斯坦思考的哲学家 David Hume,他在他的「论人类本性(A Treatise of Human Nature)」论著中指出,科学的概念(concept)必须是基于实验和证据的,不能单靠推理(reason),他也认为时间无法独立于物体运动之外(即时间和物体的运动是无法切割的),白话㸃来说,因为任何运动中的物体就有速度,而速度是以「单位时间的距离」来计量的,因此物体的运动就和时间挂上钩了。

接着,这个速度在空间里可以有不同的方向,就形成了所谓的三度/维空间,再加时间(一度/维),因此当我们在讨论「相对论」时,指的是四度/维的「空间(space+ 时间(time)」,更有进者,依「相对论」的阐释,这空间和时间是延续(continuum)的,称之为「时空(space-time)」。为了便于大众的理解,这个「时空」的具体概念,常以一有弹性的网状面表之。若此时有一重物(如铅球)置于其上,读者可以想象它一定顺着该重物所在之处凹陷下去,「相对论」就是利用此网状模式来解释「引力」的来源,因为重物的存在(甚至运动),把邻近周遭的时空扭曲变形(warping)了,这时若有其他物体存在其周遭,就会依此扭曲的网面运动,实际例子就是:太阳系中的所有星体,都不约而同绕着太阳运转(请进入此网址:http://www.cosmotography.com/images/supermassive_blackholes_drive_galaxy_evolution.html,再㸃选该文左侧的小插图;Photo credit: WGBH Boston)。另外,要提醒读者的是,这些星球运转的轨道均呈楕圆形,而不是圆形,主要是因为物体在曲面上运行,一定是循着最短距离和最不耗能量的途径。因此,「一般/广义相对论」完美解释了牛顿运动定律中「引力」的来源,当然,再次提醒读者,「引力」不是「力」,它只是物体在「时空」扭曲变形下旳运动现象。有关「一般/广义相对论」中的「引力」作用和现象,我在以后的博文中再为大家细说。(全文完)




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