纪念广义相对论发表100周年学习体会之一

纪念广义相对论发表100周年学习体会之一：广义相对论的重要意义（北京相对论研究联谊会李学生）著名美国物理学家奥本海默(J.RobertOppenheimer,1904-1967)在为纪念爱因斯坦逝世十周年而撰写，后被收录于爱因斯坦诞辰100周年纪念文集《爱因斯坦——世纪文集》(Einstein:ACentenaryVolume)的题为“论爱因斯坦”(OnAlbertEinstein)的文章中，就写过一段与英菲尔德的回忆有异曲同工之意的文字：量子的发现必定会以这种或那种的方式出现……对没有任何信号能运动得比光更快的含义的深刻理解也必定会出现……直到今天仍未被实验很好证实的广义相对论则除他以外，在很长很长时间内都不会有人能提出.１９５５年，物理学家玻恩在一次报告中评价道：“对于广义相对论的提出，我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大的成果，它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起.”１８９７年发现电子的英国物理学家汤姆逊说：广义相对论是人类思想史上最伟大的成就之一.创立相对论量子力学的英国物理学家狄拉克说：“广义相对论也许是人类曾经作出过的最伟大的科学发现.”广义相对论对时－空连续区作了更深入的分析,理论的有效性不再限于惯性坐标系,分析了引力问题，并且建立了引力场新的结构定律,它迫使我们去分析几何学对描写客观世界的作用,它把引力质量和惯性质量的相等看成是必不可少的，而不像在经典力学中那样把它看成是无关紧要的.广义相对论的实验结果只与经典力学的略有不同.凡是能够进行比较的地方，它都经得起实验的考验,而这个理论的好处在于它内在的一致性和基本假设的简单性.Einstein在广义相对论中指出，如果考虑到物体的万有引力，一个惯性参照系只能适用于一个非常局部的范围，不可能适用于大的范围，或全宇宙.如果对于描写一个局部范围中的物体来说，某一参照系是惯性的那么对其他范围中的物体运动而言，它一般就不再是惯性的.为了描写在一个大范围中的运动，对不同局部范围要用不同的惯性参照系.物体之间的引力的作用，就在于决定各个局部惯性系之间的联系.用几何的语言来说，各个不同的局部范围的惯性参照系之间的关系，可以通过space-time曲率来规定.引力的作用就在于使空时变成弯曲的，而不再是经典力学中的无限延伸的欧几里得几何的绝对空间，也不再是经典力学中的无限延伸的闵可夫斯基空间.总之，在广义相对论中，space-time的性质不是与物体运动无关的.一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它另一方面space-time的性质也决定于物体及其运动本身.按照广义相对论的阐述，坐标系的度量应该和物质分布有关.而狭义相对论研究的是物质分布均匀的平度空间.在平度空间里，或者在局部坐标系的局部邻域里，物质分布被认为是均匀的.因此同一方向的度量是一致的，度量空间是线性空间.在相对运动的坐标系之间，无论是平度空间，或者局部邻域的局部坐标系，度量的变换关系是线性变换.霍金讲到广义相对论带来的“空、时”观念变革时说：“它们不再是事件在其中发生的被动的背景……相反的，它们现在成为动力学的量.以相对论力学为基础的现代物理学认为空间、时间与物体的运动状态存在着密切的联系，时间、空间是相对的，但也认为静止质量是绝对的.Einstein的广义相对论其伟大功绩是找到了物质的存在和运动如何影响space-time结构的方程，通常成为Einstein场方程.广义相对论“在现有的物理理论中，它也许是最美丽的.”Einstein提出了两条原则：①对应原则——在一个理论的基础上创立更为全面的理论时，原来的理论作为一个极限情况继续存在下去；②逻辑简单性原则——在一个新的理论中，独立的逻辑元素，即不定义的概念与推导不出的命题，应该比原有的理论更少.Einstein的广义相对论是关于宇宙的的最出色的描述，它所描述的是构成宇宙的物质本身：空间与时间，把空间和时间当作一种平滑的连续的组成成分来对待，而物质的引力质量使之扭曲.广义相对论把引力效应具体化为，宇宙中物质和能量的分布引起space-time的弯曲和畸变，能量总是正的，它赋予space-time以曲率，space-time中的物体或光线企图沿着直线运动，曲率使轨道向对方弯折，它们的运动像是受到引力场的作用，广义相对论使space-time弯曲，把它们从被动的事件发生的背景改变成为发生的事件的动力参与者，Einstein的广义相对论和大量的实验相符，它指出时间和空间是非常复杂地相互纠缠在一起，人们不能单独使空间弯曲而不涉及时间，这样时间就有了形态，然而它只能往一个方向前进.Einstein为他的引力与惯性等价的事项感到快乐的原因之一，就是它带来了一个相当简洁自恰的而不是无限多可能的引力理论.奇怪的是，尽管物理学理论的美嵌在基本原理基础上的刚性的数学结构里，但即使我们发现基本原理错了，而它所具有的那种美的结构还可能存在.艺术创造是美的创造，科学创造也同样是一种美的创造.人类认识世界和改造世界的实践活动是一种自由的、自觉的，创造性的活动.这种活动本身就包含着人类对美的执著追求.正因为这样，当布鲁诺发展了哥白尼的天体理论提出宇宙是无限的，太阳也是运动的正确猜测时，从泛神论出发认为作为世界灵魂的普遍的世界形式照耀着整个世界，使万物处于这么一个惊人的和谐秩序中，这种普遍的世界形式本身就是内在的艺术家.从科学的过程看，审美是科学过程中的一个决定性因素.审美作为一种认知模式，在科学过程的结构和风格中扮演着不可缺少的角色.美学与形象化、结构、隐喻、图像和类比有联系.审美感也进入鉴赏模式.对于大多数实践科学家来说，审美标准进入反应方式.当我们把握观念、理解原理如何起作用或答案如何被找到时，辨认的美学都起作用.我们对哥白尼或牛顿的赞美具有这种秩序，这与对塞尚、巴赫、弥尔顿的审美鉴赏相似.科学也能够是审美愉悦的源泉.像在艺术中美学受时代风格以及个人风格的支配一样，在科学家提出的问题和使用的方法中，科学风格（style）和品味（taste）也在变化.虽然“符合”（fit）的意义可以无时间限制，但是理论在其中首次出现的与境和关联却受图式（schemata）和传统的影响.尤其是在科学发明的突破时刻，审美感是科学灵感源泉，是科学创造的种子.周光召认为：相对论是二十世纪最伟大的科学发现之一，直到今天仍然显示强大的生命力.可以预期，与天体物理、量子场论和现代数学相结合