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【主编讲堂】现代自然科学三项最重要理论研究

时间:2019-11-10 01:06来源:未知 作者:admin 点击:
自然科学大致可分为近代自然科学和现代自然科学。近代自然科学是从古代自然科学发展起来的,是指从世纪初,自然科学领域取得的三项最伟大的理论研究成就分别是电磁学理论,生

  自然科学大致可分为近代自然科学和现代自然科学。近代自然科学是从古代自然科学发展起来的,是指从世纪初,自然科学领域取得的三项最伟大的理论研究成就分别是电磁学理论,生物进化论和时空相对论。

  阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)等人的相对论是对传统自然科学思想的一次重大,它否定了传统的绝对时空观,揭示了时空的可变性,为科技打下了理论基础。

  1879年,爱因斯坦出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭,1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。1905年,爱因斯坦获得苏黎世大学哲学博士学位,提出光子假设,并成功解释了光电效应,也因此获得了1921年诺贝尔物理奖。爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家,和牛顿一样是所有时代最伟大的科学家。爱因斯坦独立成就了相对论,包括狭义相对论(1905年)和广义相对论(1915年),并影响和塑造了另一个物理学支柱(量子力学)。为20世纪物理学两大支柱之一。

  1905年,年仅27岁的爱因斯坦发表了《论运动物体的电动力学》一文,构建起狭义相对论的大厦。爱因斯坦的理论建立在两条公理的基础之上,即“相对性原理”和“光速恒定原理”。相对性原理是说,物理规律在所有惯性系中都是相同的。在“相对性原理”和“光速不变原理”的基础上,爱因斯坦严格推出了狭义相对论的核心公式洛伦兹变换,并进一步严格推出“同时”的相对性,动尺收缩(即洛伦兹收缩),动钟变慢,速度迭加公式,质量公式,质能关系等相对论效应,建立起狭义相对论的完整大厦。

  应该说,在狭义相对论提出之前,洛伦兹、庞加莱等不少人都对相对论的创建做过铺垫工作。但真正推开相对论大门的是爱因斯坦。他提出了“光速不变原理”,认识到了“同时的相对性”;他在放弃绝对空间的同时,放弃了以太,最彻底地坚持了相对性原理。也只有他看清了新理论的本质,认识到相对论实际上是一个时空理论。

  在走向广义相对论的过程中,出现了物理思想的四次重大突破,即广义相对性原理、马赫原理、等效原理、引力是几何效应。

  广义相对论的想法源于1907年,当时爱因斯坦受邀写一篇关于狭义相对论的综述文章。爱因斯坦注意到牛顿理论依赖于绝对同时性(absolutesimultaneity)的概念,但在狭义相对论中无法解决改造牛顿力学使其象电动力学的问题,而牛顿引力场中的自由落体感觉不到自己的重量,这一事实给了爱因斯坦启发,爱因斯坦觉得引力质量与惯性质量之间的等价性不是偶然的,它应该更有深意,可以基于这个弱等价原理去扩展狭义相对论。

  随后,爱因斯坦认识到匀加速运动和均匀引力是等价的,引力场可以用加速度描述,马赫的力学批判引导爱因斯坦认为某个运动状态占优是由宇宙中的物质分布造成的,则物质分布应可自其所产生之引力场中的自由落体径迹推知。在与数学家格罗斯曼和希尔伯特探讨后,爱因斯坦广受启发,最终在1915年得出了广义相对论的方程,并完成了这一理论的框架。

  广义相对论实际上是一个关于时间、空间和引力的理论,指出时空与物质之间存在本质联系,相互影响:能量−动量的存在(也就是物质的存在),会使四维时空发生弯曲;弯曲的时空又会反过来影响物质的运动。广义相对论认为,万有引力并不是一般的力,而是时空弯曲的表现。如果物质消失,时空就回到平直状态。

  广义相对论是爱因斯坦一个人的辉煌,但广义相对论却不是无源之水。爱因斯坦凭一己之力建立起相对论,不光是靠天才的大脑,还包括其对电磁学细节的熟悉,德国社会深厚的哲学与数学底蕴对爱因斯坦的熏陶和帮助,前者得益于马赫、康德、莱布尼兹等人,后者得益于格罗斯曼、闵可夫斯基和希尔伯特等人。

  1917年爱因斯坦将广义相对论用于模型化宇宙的大尺度结构,引导了引力论与现代宇宙学的发展。爱因斯坦的广义相对论不只是带来了宇宙图景认识,也为理论物理学带来了独特的研究模式——凭借哲学与数学支撑的理性思维去洞察自然的奥秘。100年来,广义相对论得到了实验观测的支持,并在天文学、宇宙学、黑洞和时空理论等方面得到了应用。狭义相对论则更是精确而广泛地应用到了物理学的各个领域中。

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