爱因斯坦梦

(本文是《新发现》的专栏,请勿转载)
进入物理学的人在年轻时或多或少地做过一个梦,就是将来要成为新的爱因斯坦。爱因斯坦和牛顿是物理学史上两个肩挨着肩的巨人,用中国的传统话来说,是两位并肩王,目前还没有见到哪个第三位人物想和他们攀比的。这两位不仅是物理学中,也是整个科学中的并肩王。这么说也许会引起小小的一阵骚动,因为有人会拿出莱布尼兹、达尔文等人来比。牛顿开启了整个现代科学,包括现代科学方法(当然还有先驱伽利略等人),形成了整个经典物理学体系以及发明了微积分,即使是同时发明微积分的莱布尼兹这样的伟大的哲学家也会觉得稍有不如。爱因斯坦则改变了经典物理体系,包括改变了人们的时空观以及参与了量子力学的发现,使得整个现代物理在他的阴影里发展,和牛顿的成就大致相仿。
爱因斯坦距离我们更近一些,所取得的成就对我们造成的影响和震撼更大一些。这么说并不是说牛顿的成就不会给人造成震撼,其实了解科学史的人知道牛顿的三大定律以及万有引力定律完全改变了当时人对地上和天上的物体运动规律的看法。也许是我们在中学就接触到牛顿力学,以及在日常生活中经常接触到牛顿力学的应用,所以对牛顿力学体系造成的震撼有了一定的免疫力。相反,爱因斯坦的相对论效应在日常生活中看不到,中学也不怎么教,所以一个在大学或者研究生阶段刚刚接触相对论的学生会有从难以置信到彻底信服的感受过程。这样,爱因斯坦就很难不成为令人仰慕和企羡的偶像。
我们这一代人,现在大概40岁以上吧,都被70年代末所谓科学的春天的宣传影响了,都有所谓的英雄情结,或者说,都是理想主义者。那时还宣传陈景润这样的人物,以为是为国争光,所以理想主义里还掺杂了一些民族主义都想有朝一日成为英雄。时至今日,我想绝大多数人在现实面前低下了“高昂”的头。牛顿和爱因斯坦这样划时代的人不会像春天中的雨后笋,今天冒出一个明天又冒出一个。事实是,几十年也冒不出一个,牛顿和爱因斯坦的出生日期就隔了差不多两百五十年,何况,能否出现这样的人也和科学是否处在适当的时代有关。
至于今天选择物理作为专业的年轻人,我不十分了解。我想大多数是没有那么大的志向的,只想做一个普通的物理学家,说得更俗一点,只想做一个物理学中的从业者,有一个饭碗。而选择高能物理甚至弦论作为自己研究领域的年轻人会有很大不同,可能很多人还怀揣着做爱因斯坦的理想。你想,高能物理很多年来实验变得越来越困难,理论也是玄想的多,很快得到实验验证的少,与之相应的是就业市场的越来越不景气。选择这个领域安置自己的前途,无疑是要赌一把的,没有一点英雄主义还真的难以坚持。
国内和国外的一个普遍现象是,民科很多。这里民科指的是没有经过正常的专业训练而进行研究的人。由于推翻爱因斯坦或者其他什么物理学中的主要定律吸引力太大,特别对那些想成为英雄的人吸引力太大,研究相对论和量子力学基础的民科就特别多。我想对这些人说的一句话是,好好学习和消化前人经过千辛万苦的努力得来的成果,再下决心走上这条艰难的路。毕竟物理学不是湖南卫视的超女试场和舞台,何况,那些脱颖而出的超女大多数都有正规训练的背景。
有人会拿爱因斯坦本人作为反例,爱因斯坦发现狭义相对论的时候是瑞士专利局的职员。我们需要对历史做一个调查,在爱因斯坦的时代,大多数物理学知识在大学里就能学完。那时还没有爱因斯坦的相对论,也没有量子论,更没有量子场论,物理学需要的最高数学也局限于微分方程。其次,爱因斯坦在专利局上班时并没有闲着,他和其他两位朋友一起下工夫学习当时最新的物理学,包括洛仑兹的电子论。打一个比方,就像现代的学生已经至少得到一个硕士学位,同时在自学最新的粒子物理和圈量子引力,甚至弦论。
最近美国的流行科普杂志《发现》(Discover)有一篇文章,他们自以为是地发掘了6位新爱因斯坦的候选人,我个人觉得没有一位靠谱。这6位准爱因斯坦中年纪最小的也有36岁了。当然时代不同了,我们肯定不能将一百年前作出发现的黄金年龄作为今天的标准,所以36岁是可以接受的。其余五位准爱因斯坦的年纪都超过40岁,包括霍金和威滕。霍金今年66岁,威滕今年57岁,这两位肯定列于我最佩服的同行之列。霍金发现了黑洞的量子蒸发,威滕是当今最好的数学物理学家,如果不是最好的物理学家。即使我们放低年龄的要求,这两位也应该过了创造的黄金时代。他们过去的成就和牛顿或爱因斯坦比当然有很大的距离,所以他们要成为下一个爱因斯坦就得有更大的贡献。
六位候选人中有一位最近被媒体炒得很热,就是里斯(Garrett Lisi),他的关于统一的新理论还有待于同行的检验和承认。至少到目前为止,还没有人在他的工作的基础上做出什么,他的论文也没有专业引用。我个人的观点是他的工作如果不是完全错误的,距离正确的理论还很远。里斯是一个有趣的现象,他今年40岁,有博士学位,不能算民科,虽然他也不在学术机构工作。剩下的三位候选人中我觉得最靠谱的是米尔格罗姆(Mordehai Milgrom),他最有影响的工作是认为暗能量和暗物质并不存在,这些宇宙中新奇的能量组分其实是引力的效应,只不过牛顿和爱因斯坦引力要在很大的尺度上被修改。剩下的两位相对年轻的候选人也都是研究引力的专家。
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《发现》文章:Could the Next Einstein Be a Surfer Dude?
我在文章没有提到的一位准爱因斯坦,Lee Smolin的前妻,美女马可菠萝

(Dr. Fotini Markopoulou, Penn State. “I always thought that if we could look really close, space and space-time would turn out to be not smooth and geometrical, as in Einstein’s theory, but ‘bumpy’ and made up of building blocks,” says Markopoulou.)
上面的解释中Penn State应该改成Perimeter Institute了。
在看到这张照片的那个网站上,我还看到了同行中的大美女露伊斯·杜伦

(Louise Dolan is a mathematical physicist, string theorist and professor of physics at the University of North Carolina at Chapel Hill.)
第7位准爱因斯坦,李·斯莫林

(Lee Smolin, the “new Einstein”, physicist and brain behind the theory of loop quantum gravity)
2008年3月25日 13:10:19
这个心好比是类似于“媒质”的光速
2008年3月25日 13:15:02
我对学生怎么说,两点钟就上课?
2008年3月25日 14:53:51
晕,hurry怎没在学术求助版讨论,
会比较容易得到关注的,我是现在才看到。
2008年3月25日 15:06:01
hurry兄敎的高中生吗?敎课前一天才学习,这太匆忙了。
简单回答你的问题:
先不考虑有介质的情形,光在真空中的速率是不变的,
在任何一个惯性系中观察,都是如此。
这是爱因斯坦狭义相对论的一个基本假设。
妳所谓的用光讯号定义时间和用光讯号定义同时,这是不同的两回事,必须区分清楚。
用光讯号量度时间,所求的是时距,也就是用一个相对于你静止的光钟,来记录你经历的时间。
至于同时性,指的是用光讯号校对静止在不同位置的时钟,原理就是利用光速是恒定的,来计算光讯号在两钟之间传递时,所历经的时间。
我不敢保证这样你看得懂,如果是初学,恐怕要花些时间思考,祝你顺利。
2008年3月25日 17:51:03
您的意思好像是说惯性系本来就是人为的设置,有点境由心造的意思,只是这个心是物理界客观的心
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我什么时候这样说了?
就知道您会认为这个很主观
狭义确实存在一个问题,不过不是这样的问题,而问题是:我们去怎么样找到一个惯性系。广义就可以了。
上面我的话表明:惯性系是客观存在的,只是我们去“找”会有点问题啊。
2008年3月25日 17:58:20
这里可以说光信号是“表征”时间的一个东西,您闭上您的眼睛他还是这样的。
您不想他,它还是在流逝。只是您是个生物有主观能动可以描述那些量
还有我”避讳”那些看到相对论就非得讨论同时性的。
2008年3月25日 18:17:58
一直想思考:
我误会了您的意思,但我却是不懂你的意思。
2008年3月25日 18:29:39
小杰:
按照他的说法,关于同时的定义和同时的定义还是要由光速不变原理统一起来。也就是您的这两段话:
“用光讯号量度时间,所求的是时距,也就是用一个相对于你静止的光钟,来记录你经历的时间。”
“至于同时性,指的是用光讯号校对静止在不同位置的时钟,原理就是利用光速是恒定的,来计算光讯号在两钟之间传递时,所历经的时间。”
要联系起来说,不只对否?
2008年3月25日 18:31:15
应该是“同时的定义和时间的定义”
2008年3月25日 20:35:54
狭义相对论的基本假设只有两条,一条就是光速恒定。
任何狭义相对论的一切结果都由这两条假设推导出来的。
所以基本上你可以说,所有的结论都是由这两条假设统一起来。
2008年3月25日 21:51:22
算了;您就当个智力游戏学吧,记这两条规则。
其实看任何书都一样。
我不知道是历史原因,还是什么。都把同时的相对性放在第一位讲,就象量子力学 讲德布罗伊波开始讲一样,这些虽然是唯象的先知道的原理,但不是本质。
其实您即使了解 同时性的差别也不一定能深刻认识相对论。
再ps:其实小杰说的都是书上说的,如果真这样您应该还是看书吧。
2008年3月26日 16:16:09
为什么非要用光作为对时信号?
设想我们的实验都是在地球大气层中进行的(或者说假定大气层就是整个宇宙)。假设用声波作为对时信号,那么由于声速是可加的——不像光速,因此在实验的精度内就不会有钟慢尺缩的效应;而与这些结果相洽的就是伽利略变换。当把这变换应用于光的时候就会出现矛盾。反之,如果用光作为对时信号,则可以自然的导出洛仑兹变换,并且把用声速做对时信号的结果作为近似。因此为了与光速不变原理协调,需要用光来对时。
从数学的角度说,我们就是要寻找任意两个惯性系之间的线性变换,使得这变换与光速不变原理相洽。
2008年3月28日 21:21:38
既然谈到老爱,那我就请教李老师和各位朋友一个问题(看了点科普,产生了这个疑问):
一般认为广义相对论解释了引力的本质,是指广相完美的解释了物体如何扭曲空间,物体如何在扭曲空间里运动,那广相有没有解释为何质量和能量会扭曲空间呢?
既然空间可以几何形变,那空间是由什么组成的呢?
2008年3月28日 22:03:07
123:
我虽然没有看过广相
但是您的问题让我感觉 您把空间和物质分开了.
其他路过的人回答吧.
2008年3月28日 22:16:52
123:
我不知道你这个问题是否是一个科学问题。 换句话说,这么问太泛泛,至少在经典物理里不是一个问题,因为没有一个比广义相对论更基本的理论。举个例子,我们知道1+1=2,你如果问为什么等于2,那么回答是这是公理的结果,也可以说这是不可约的。
2008年3月29日 10:15:31
明白您的意思了,谢谢您,不过外行的我想扯一下,物理学是不是仅仅局限于”追求能完美解释现象的理论”,是不是有架构”为什么理论会被这样设计”之路的可能呢,毕竟,仅仅能描述表象在其他学科领域是不可能得到满足的,是不是因为物理是研究最基本的”X”的缘故呢?
2008年3月29日 12:59:13
123:
你是问why问题,物理里的确有这类问题。
2008年4月1日 23:42:42
爱恩斯坦永远是爱恩斯坦,没有任何人能代替他,因为每个人都是独立的个体,’第二个爱恩斯坦’是不会存在的,只有哪个科学家很棒怎样怎样.
2008年4月2日 0:09:59
molly:
居然是一个外国小美女。
欢迎。
2008年5月9日 19:13:07
中国一定会产生一个狂人爱因斯坦,让我们一起为科学努力,相信中华人民吧!