科普：物理规律从何而来（3）--不变性

2013-6-9 11:23| 发布者: 新闻速递| 查看: 294| 评论: 15|原作者: 岳东晓

摘要: 在前文中，我讲到牛顿带来最大的思想突破在于他认识到无论天上的月亮还是地上的苹果都遵循同样的运动方程与万有引力方程。牛顿那时候还根本不知道星系的概念，但这没有关系，决定万有引力的只有两个东西：质量与距离 ...

在前文中，我讲到牛顿带来最大的思想突破在于他认识到无论天上的月亮还是地上的苹果都遵循同样的运动方程与万有引力方程。牛顿那时候还根本不知道星系的概念，但这没有关系，决定万有引力的只有两个东西：质量与距离。一旦知道银河系其实是很多恒星组成之后，我们会毫不犹豫地用万有引力与牛顿定律进行计算，而不是说那是另一个神秘的国度。运用牛顿定律，我们算出太阳系绕银河系核心运动一周需要的时间，而发现这个时间与地球上物种灭绝的周期相近---由此产生了新的联想；运用牛顿定律，科学家们用计算机模拟两个星系的碰撞，得出了与天文观测相近的结果。别看牛顿力学是17世纪的物理学，它仍然具有很好的适用性。

当然，牛顿无法解释他自己所发现的方程，他顶多能说，看着观测数据，突然一拍脑袋、来了灵感之类。他会说这个获得的过程不重要，重要的是它们与现实准确吻合、能用就足够了，或者说明他牛顿是个奇人。

那些不是问“为什么”而是“问谁”的人们会说：牛顿的方程这么简单、漂亮，这么优美的规律是谁定的呢？能有谁？谁？

假如你说这是牛顿根据前人的天文观测数据而产生的天才构想，那些“问谁”的人们就会开始唱起颂歌。他们会说，啊，这么美妙，这么神奇，这么智慧，泪流满面、跪地崇拜吧---注意他们崇拜的不是牛顿。

确实，如果物理学不能解释牛顿方程又是如何来的，那些“问谁”派肯定会跪地不起。即使是牛顿本人，他虽然把基督扔入了垃圾堆，却没有抛弃上帝---当然他的上帝绝不是传统宗教里的那个概念，而是所谓自然神。而牛顿本人可能把自己当成了文曲星下凡，自然神的使者。

牛顿力学的方程只在一类特殊的参照系，叫着所谓惯性系下适用，在惯性系里，自由物体保持匀速运动。比如说，我们通常把近似地把地球当成参照物。但实际上地球不但自传、而且在太阳引力下加速运动， a = f/m，太阳又在绕银河系其他星体的引力下做加速运动，银河系本身也在其他星系的吸引力下加速运动。真正的、绝对静止的惯性系在哪？这个问题的存在使神秘主义者们又打起了上帝的主意。

是爱因斯坦在这个问题上取得了突破，而他的思想又是在打破特殊性思维上更进了一步。爱因斯坦说，不存在什么绝对的惯性系。如果一部电梯在引力下作自由落体运动，那么电梯内的人感觉不到引力--失重，对电梯内的人来说，他所处的就是一个惯性系，一个没有引力的自由空间。反过来，假如电梯加速上升，那么电梯内的人感觉引力增大了。爱因斯坦把这个称为等效原理：加速运动与引力场在局域范围内完全等效。自然界不存在什么特殊的惯性参照系，物理方程必须可以在任意参照系下适用。这就是所谓相对性原理，又称为不变性原理。所谓不变性是说，物理的方程不管在什么场合，都应该是同一个形式，没有什么特殊王国。

从相对性原理与等效原理出发，经过一系列的数学，爱因斯坦得出了广义相对论的方程，这是一个确定空时几何性质的方程。得出这个方程不难，难的是先要学会一些处理弯曲空间的数学，然后要学会打破常规的空间时间概念。根据这个方程，物质与能量的存在将导致空间与时间的弯曲。牛顿的万有引力公式是爱因斯坦广义相对论对弱引力场的一个近似，但广义相对论能够运用于任意强度的引力场。

牛顿万有引力的概念是相互作用，而广义相对论的概念是空时的几何，因此后者可以运用于计算整个宇宙本身的几何属性。但是，当爱因斯坦将广义相对论方程运用于宇宙的时候，他惊人地发现，这个方程无法给出一个稳定的宇宙。宇宙或者是膨胀、或者是收缩，而这个膨胀与收缩取决于物质的密度。

须知，爱因斯坦的年代，人们还不知道银河系其实是由恒星组成（那时还没有足够大的望远镜分辨出银河中的单个恒星），更不知道银河系外还有其他的星系，以为望远镜中看到的星系不过是宇宙中的一些尘埃云。爱因斯坦那时的宇宙观也还是传统的概念，以为宇宙是亘古不变的、永恒的。因此，爱因斯坦在其引力方程中人为的加了一个常数，试图让宇宙不变，爱因斯坦称之为宇宙常数。但后来更多的研究表明，加这一项也无济于事，爱因斯坦方程解出的宇宙还是会膨胀（或者收缩）。爱因斯坦后来说，加这个宇宙常数是他一生中犯的一个大错误。但后来，爱因斯坦的这句话似乎又是一个错误---因为宇宙常数确是要的--那对应于所谓暗能量。

后来的故事我们当然知道了，美国天文学家哈勃用大望远镜以及光谱方法经过长期耐心的观测，发现其他星系正在离我们退行远去，而距离越远，退行速度越大...宇宙在膨胀！

牛顿力学需要一个绝对时间与静止空间作为背景，而且牛顿引力公式不能解释。爱因斯坦把绝对空时去掉，从而得出了更具有普适性的引力理论。人类的思想又大大地向前迈进了一步。爱因斯坦广义相对论的发现到现在已经100多年了。

爱因斯坦的伟大发现说明人类通过理性思维能够窥破自然界最深层的奥秘。根据广义相对论，我们可以根据物质与能量的分布计算空时的几何属性，但爱因斯坦的理论并没有解释物质从何而来，物质之间的其他相互作用规律如何。

在过去100多年中，物理科学取得了更为惊人的成就，解释了物质粒子本身的作用力。而杨振宁的贡献带来了关键性的突破：由规范不变性原理推导出规范场。

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