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爱因斯坦与万物之理:统一路上人和事

【书  名】爱因斯坦与万物之理:统一路上人和事

【作 者】张天蓉  

【出版者】清华大学出版社

【索书号】O4/1214(2)

阅览室自然阅览室

 

作者简介


    张天蓉,女,科普作家,美国得克萨斯州奥斯汀大学理论物理博士,现住美国芝加哥。研究课题包括广义相对论、黑洞辐射、费曼路径积分、毫微微秒激光、集成电路EDA软件等。发表专业论文三十余篇。2012年开始,出版一系列科普著作,其文风深入浅出,趣味盎然,亦保持科学的严谨性,深得读者喜爱。是第六版《十万个为什么》物理卷参编者之一。已出版科普读物:《蝴蝶效应之谜:走近分形与混沌》《世纪幽灵:走近量子纠缠》《电子,电子!谁来拯救摩尔定律?》《上帝如何设计世界:爱因斯坦的困惑》《数学物理趣谈:从无穷小开始》。


内容简介


    引言:物理理论的简约之美

 

    爱因斯坦解释了光电效应,提出两个相对论之后,便开始了他对统一场论的研究。大有“躲进小楼成一统,管他冬夏与春秋”之势,这一“统”就是三十余年,到死方休。爱因斯坦将其后半生献给了物理学中这场“统一之梦”,然而,他为此独自奋斗30余年却未得其果。


    尽管统一场论一词始于爱因斯坦,但其思想却是始于麦克斯韦和法拉第的电磁场理论。事实上,如果略去“场论”二字,只谈理论之统一,那就应该追溯到牛顿的年代了。


    爱因斯坦逝世后,物理学家们在这条统一路上,又走过了一个甲子的历程。六十年的风风雨雨,点点滴滴,理论物理学家们作了些什么?统一之路如今走到了哪里?前途如何?本书作者从介绍牛顿力学、量子力学开始,到数学中的群论、对称守恒原理,再介绍标准模型、规范理论、量子场论、费曼路径积分、费曼图等等,让读者对理论物理中的“统一”大框架,特别是主流物理界公认的“标准模型”,有一个基本认识。最后,也探讨一下统一理论与大爆炸宇宙学、暗物质、暗能量的关系,以及标准模型的困难和局限,简要地介绍包括弦论、M理论、弦网等概念,让读者不仅领略到理论的美妙,科学家的追求,也体会到科学研究的艰辛,激励年轻人对探索自然规律的愿望和好奇心,踏进科学的大门。


    物理学中的统一路,实际上追求的是一种简约之美。


    把复杂的事情简单化,是一种本领和智慧。简约并不简单,大智若愚,大道至简,用简去繁,以少胜多。中国清代有位书画家郑板桥,被称为“扬州八怪”之一,在书斋中挂了一幅自写的对联,题曰:“删繁就简三秋树,领异标新二月花”,以此表明他的书法及文学理念,主张以最简练清晰的笔墨,不同凡响的思想,表现出最丰富的内容。


    物理学家的“统一”,是要统一些什么?归纳起来有三个方面:一是物理规律的统一;二是物质本源的统一;三是相互作用的统一。


    统一的意思就是使事物简单化。从多变少,由少归一,便谓之统一。


    因而,物理学家所追求的简单化、统一化,听起来与郑板桥追求的书画笔墨及文字之“简约”,同出一辙。两者实质上也就是所谓“奥卡姆剃刀”原则的变换说法,同属“简约之美”。


    奥卡姆不是人名,是英格兰的一个村庄。14世纪时那儿出了一位叫威廉的逻辑学家。此人流传下来的东西不多,唯有这一句话脍炙人口:“Entities should not be multiplied unnecessarily”。可用中文将其翻译成一段八字格言:“如无必要,勿增实体”。意思是说,删除一切没必要的多余“实体”,留下最少的。


    对于理论物理,这一原理最好的表述是:当你面对着导致同样结论的两种理论,选择那个最简单的,实体最少的!物理统一理论中的实体,可被理解为基本规律、粒子、和作用力。也就是说,统一,就是用最少数目的物理规律来描述自然现象;用最少数目的“不可分割基本粒子”来构成所有的物质;用最少种类的“力”来描述物质之间的相互作用,这才符合奥卡姆剃刀原则,符合简约之美!


    牛顿曾经感叹地说过:“我能计算天体运行的轨道,但无法计算人类的疯狂。”


    奥卡姆剃刀原则也许难以描述多变的社会现象及复杂的人性,但将其用于科学中的优越性却毋庸置疑。几百年来,这一原理在科学上得到了广泛应用,从牛顿的万有引力到爱因斯坦的相对论,再到如今的标准模型,漫长延绵的统一路上,奥卡姆剃刀已经成为重要的科学思维理念。


    然而,物理学中的统一理论,即用以描述物质世界的“最少数目”的标准,是随着时间而变化的。科学技术不断进步,实验手段不断改进和发展,各种理论得以建立和完善,我们对大自然的理性认识也深入到不同的层次。这一切,使得在科学发展的不同历史时期,会有不同意义下的不同“统一理论”,它们犹如在一条曲折流逝的河流中,一定位置出现的一片片平静的港湾。河流总是从这些港湾和支流,不断地吸取精华,沉淀糟粕,川流不息,奔向大海。


    牛顿的力学定律加万有引力,毫无疑问地是物理学中第一个“统一理论”。牛顿之前的物理学,已经有了许多独立的、貌似互不相关的物理定律。伽利略发现了惯性原理,还从著名的比萨斜塔实验证实了自由落体所遵循的规律。开普勒在研究第谷提供的大量实验及观测资料的基础上,提出了行星运动三定律。惠更斯和胡克,当时在力学、光学、等多个领域也都有所建树。


    然而,是牛顿第一个认识到这些零零落落的孤立定律之间深刻的内在联系。他将这些分散的“支流”汇总在一起,完成了物理学上的第一次理论统一。


    与那些“孤立”定律不同的是,牛顿三大定律所描述的是“所有”物体在力的作用下的运动规律。这儿的物体,可以是地面上的沙粒,也可以是宇宙中的天体。牛顿用锋利的奥卡姆剃刀,将物体的大小、形状、质地、软硬之类不重要的具体性质通通砍去,只留下一个质量m。因此,所有的物体都变成了一个质点,它们在力的作用下,都符合同样的运动规律。


    场论的思想,则始于麦克斯韦和法拉第的电磁场理论。法拉第在进行并记录了大量电磁实验结果的基础上,提出了“场”的概念。精通数学的麦克斯韦,希望用微分方程来描述和总结这些实验规律。开始时,麦克斯韦面对着20多个方程式,其中包括由库仑、高斯、法拉第、安培等人研究总结的各种实验现象,还包括电介质的性质,各种电磁现象的规律等等。麦克斯韦大刀阔斧地挥舞奥卡姆剃刀,剃去冗余重复的部分,加上必要的新概念,最后将它们高度凝聚提炼简化为四个对称而漂亮的矢量方程式,将电、磁、光三者“统一”于一个经典场中。

 


更新日期:2018-10-07 点击:130