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合页1（狭义相对论） 李淼 1、 光速不变吗？ 爱因斯坦相对论与牛顿力学最大的不同是光速不变假设。在牛顿力学中，相对做匀速运动的两个不同的惯性参照性中的时间的变化是一样的；同时，伽利略的惯性原理是成立的：两个不同的惯性系中所有的物理规律是一样的。这个原理可以直观的解释为，如果你坐在一艘匀速运动的船上，或者坐在一列匀速运动的火车中，你不知道是轮船或火车在运动，还是河岸或者火车外面的景色在运动。时间的绝对性和惯性原理可以导出两个参照系之间的变换规律。现在，爱因斯坦说，我不知道时间是否是绝对的，我只能用光来校对不同地点的钟。既然不同的参照系中我们都用光来校对时钟，同时我们又不想放弃伽利略相对性原理，那我们只好假设光速是不变的。 光速不变是革命性的假设，因为这推翻了时间的绝对性。如果时间是绝对的，那么牛顿运动学体系告诉我们，速度是叠加的，也就是说，如果参照系B相对参照系A在X方向有速度V，而一个物体在参照系B中X方向的运动速度是U，那么这个物体在参照系A中的速度就是V+U。显然，光速在牛顿体系中不可能是不变的。既然如此，牛顿的绝对时间与光速不变矛盾。

（已发《南方周末》，在那里分成两部分发表，同一版，链接：http://tech.sina.com.cn/d/2012-02-03/14516681418.shtml） 2012年或为物理学突破年 在过去的16年中，可以用郁闷来形容粒子物理学家的集体状态，因为他们不仅没有发现任何新粒子，也没有太多的其他发现，但是这个状态在2012年很可能被打破。 　　年末的“谣言” 　　在2011年行将过去时，物理学界又来了一波新闻冲击。这次当然是来自一直被媒体和普通人关注的欧洲大型强子对撞机(LHC)，在这个对撞机上一直工作的四个探测器中的两个在12月13日举行联合学术报告，对同行和媒体透露他们对最新数据作出的最新分析结果。 　　在举行联合学术报告之前十天，网上已经疯传探测器ATLAS和探测器CMS的结果，这次的结果与寻找希格斯粒子即所谓上帝粒子有关。同行们对谣言的反应各色各样，有的相信，有的不信，有的说要持谨慎态度，有的说粒子物理学已经获得突破，有些人甚至在网上吵了起来。我一直是个乐观的人，倾向于相信大型强子对撞机终于俘获到了希格斯粒子作案后留下的一点痕迹。

（《科学画报》卷首语，老话题啦） 时间，是个永恒的话题。它首先出现在日常生活中，比如我们会说：“太忙了，我没时间啦。”还会说：“时间太紧啦。”在文学中，季节变化使我们感叹时间的易逝，生命的无常。我们也会觉得动物之外某些事物的相对永恒性，例如大海和岩石，地球，太阳。到了现代，我们更知道了地球存在了大约45亿年，宇宙存在了大约137亿年。另外，在上面的例子中，我们还体会到了时间的单向性，一些过程的不可逆性，例如鸡蛋变成小鸡，而不是小鸡变成鸡蛋。 时间，既直观又隐秘，既简单又复杂。我们直接感知到时间，因为我们不仅看到日夜的轮换和时序的交替，我们也感到自己年纪的成长和身体的成熟和衰老，我们体内甚至有生物钟。但是，要精确的计量时间，我们还需要科学地定义时间，并在此基础上设计计量时间的时钟。 我们先从牛顿的经典时间谈起。时间的操作定义与人们心理上感到的时间很类似，也就是说，当我们感到变化，我们觉得时间流过，或时间在流逝。所以，时 间和变化即运动有关。为了量度时间，我们需要找到可以信赖的运动，例如天体在天空中的位置的变化。一天，就是太阳升起落下和再升起，或星星在天上东升西落 一个周期。一月，是月相变化的一个周期。一年，是地球绕着太阳运动的一个周期。所有这些都和周期运动有关。有时，我们觉得这样定义的时间并不准，这和周期 是否是严格的有关。现代授时技术已经用到了原子钟，这是基于某些原子的跃迁频率。

（《牛顿科学世界》卷首语，勿转） 人类在有智力活动伊始一定就开始问一些终极问题，例如，覆盖大地的天是什么？日月星辰是如何运行的？风雨雷电是如何形成的？然后，一定开始问自身问题，我们从哪里来？是被创造的还是大自然“无为”的结果？达尔文之后出现了进化论，认为智慧生命来自于更加原始的生命。这似乎解决了我们从哪里来的问题。但是，现代物理学和现代宇宙学告诉我们，生命出现的条件并不那么简单，那么，宇宙是如何具备产生生命的条件的？其实，直到今天，我们还不能回答这个问题。 “我们从哪里来？我们是谁？我们向何处去？”，这是高更创作于1897年一幅著名油画的标题，这个标题连续问了三个本质上是一个终极问题。我们从哪里来？我们当然栖居在我们这个宇宙中。可是我们这个宇宙非常特别。这个宇宙一直在膨胀并且在最近数十亿年在加速膨胀，驱动加速膨胀的暗能量的密度并不很大，只有每立方米大约4个质子所含的能量那么大。宇宙中总能量密度比这个数字大不了多少，这是一个神奇的数字，因为如果能量密度太大，我们的宇宙可能“早夭”，如果能量太小，那么到现在为止我们在宇宙中看到的各种景观还没有形成，太阳系也没有形成，也就不会有人类出现了。

不仅中国人，老外也喜欢在年底评选十大。各种十大：十大科学新闻，十大科学突破，十大娱乐新闻，十大乌龙…… 既然，写这篇专栏的时候是中国农历年年底，正好是我们谈十大的时候，各大媒体也在向各种杰出人士致敬。 因为我参与了《环球科学》评选2011年全球十大科学新闻，我想先谈谈这个，然后再谈谈别的十大。 第一条也是我选择的第一条，自然是超光速中微子。这一条没有入围物理世界（Physicsworld）的十大突破，原因很简单，测到中微子的速度比光速快了一点点只是一家实验，位于意大利格兰•萨索山底的一个中微子探测器。遗憾的是，在那个山底实验室中还有另外两个中微子探测器，由于一些原因无法精确测量中微子速度，所以无法证实或证伪这个惊人的结果。在实验组宣布这个惊人的消息之后的两个月中，物理学家们写了一百篇以上论文，有的质疑这个实验，有的解释这个实验——出现这么多论文的原因很简单，万一中微子超出光速，物理学大厦的基础之一，爱因斯坦的相对论必须修改。现在，物理学家的热情慢慢冷却下来，文章没有那么多了。大家转入另一个状态，等待别的实验，例如美国人的实验，来证实或证伪意大利的实验。尽管意大利人的实验不算突破，算第一大新闻没有任何问题。 《环球科学》的第二大新闻是日本大地震引发核危机，第三大新闻是航天飞机退役。我对这两条进入十大科学新闻持保留态度。首先，这两件事与技术相关，与科学有些关系，但不大。日本大地震引发的危机在某种意义上更属于管理与应急方面的新闻。美国航天飞机退役标志美国的航天模式改变，美国航天局今后将不再直接给宇航员与空间站做运输，而是租用俄国人的飞船以及民营企业的飞船，这标志航天民营化时代的到来。我觉得这是一个技术上的重大转变。 第四条新闻我也投了票，就是IBM研制出首款石墨烯集成电路。我们知道，石墨烯的发现与制造获得了2010年度诺贝尔物理学奖。这个奖项让我当时对发现宇宙加速膨胀将获得诺奖的预言落空（后来获得2011年度物理学奖），很多内行人觉得，这个奖给早了，因为那时石墨烯还没有任何应用。IBM托马斯•沃森研究中心用石墨烯制成集成电路标志石墨烯商业化应用的开始。 生物学只有一项入选，可见所谓生物学的世纪在2011年中并没有什么体现，而物理学就有六项入选，除了前面提到的三项外，还有：英特尔研制出三维结构晶体管；磁性和超导性首次被证实可相容；有说服力的暗物质证据现身。其实，我觉得既然超光速中微子入围了，12月13号宣布的发现希格斯粒子的证据也应该入围。如果欧洲核子中心在今年再接再厉真正发现了质量较低的希格斯粒子，那么这将标志基础物理学进入新纪元。很可能，物理学家们将揭示亚原子世界的新规律和新粒子组成的物理世界新秩序。那么，2011年和2012年将作为特殊的年份进入科学史。

（《礼志杂志》） 近代科学特别是近代物理以精确实验与数学计算为主要特点，这些特点开始于文艺复兴之后的欧洲。近代科学开始于天文学和物理学的革命，在物理巨人牛顿之前，有四个巨人起了开创性的作用，他们是哥白尼，第谷，伽利略和我们今天要聊的主角，开普勒。 这四位老兄所生活的时代相距不远，最老的当然是哥白尼，出生于1473年，比文艺复兴全才达芬奇仅小21岁。哥白尼本人也是一个全才，不仅是天文学家，还懂四种语言，兼数学家、医生、艺术家，外交家、经济学家，还是个天主教圣职人员；年纪排在第二的是第谷，出生于1546年，比哥白尼小了73岁，间隔确实大了些；三哥是伽利略，出生于1564年；小弟是开普勒，出生于1571年，比伽利略小7岁，比他的师傅第谷小25岁。其实第谷并不是开普勒的师傅，后者只是继承了他的皇家数学家身份，在第谷去世前一年，开普勒做了第谷的助手，但师傅并不那么慷慨大方，很多数据不让助手看到。 在那个时代，每个科学家都身兼一些奇奇怪怪的职业，比如第谷，同时是个炼金术士，也相信星相学。开普勒本身就是个星相学家，帮助神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世提供占星咨询，也帮助其他国王做这种事，所以他地位甚高。如果就星相学来说，四位巨人，两位出生在二月：哥白尼的生日是2月19号，伽利略的生日是2月15号，都是水瓶座。另两位出生在12月：第谷老师出生在12月14日，开普勒老师的生日是12月27号，前者是射手座，后者是魔羯座。当然我们在这里不想深究这些生日的含义，如果开普勒老师再世，一定会告诉我们很多道理。 这四位的共同特点是什么？第一，他们都信教，有的是天主教徒，有的是路德教派。第二，他们都多才多艺，前面已经说过哥白尼的数种身份了，第谷除了迷于炼金术，还研究草药，有些草药直到上世纪末还在用，他还开办了也许是最早的研究生院，这个研究生院教授天文学和医学。伽利略除了科学外，还是个技术发明者，发明了最早的望远镜——这使得他以观测否定了地心说，发明和改进了军用罗盘，制造了温度计。至于开普勒，在我们现在已经不信的占星学之外，他还是一位数学家，研究过雪花的六边对称性，提出著名的开普勒猜想：关于如何将圆和球紧凑地放在一起。除了以上所有共性，他们都热爱艺术，或多或少是艺术家。

今天宣布诺贝尔生理或医学奖。 明天宣布诺贝尔物理学奖。 谁将得诺贝尔物理学奖？谁也猜不到。我继续去年的猜测，是Riess，Schmidt和Perlmutter，发现宇宙加速膨胀。另一个猜测是暗物质的发现人Vera Rubin。 去年的帖子在这里。

（《Vision》文章，勿转） 一、经典的时空 时间与空间这两个概念是物理学的基石，也是我们人类甚至动物依靠直觉就具备的概念。 我们判断一个物体的位置，我们从一个地点走到另一个地点，涉及到空间这个概念。在小学，我们就开始学习一些简单的几何概念，例如三角形，三角形中的三个角有锐角、钝角和直角。到了中学，我们还学一点立体几何和解析几何。在这些初步几何课程中，基本的几何对象有点、线、面和体，这些分别对应于零维的对象，一维的、两维的和三维的对象。所以，维度这个概念我们从小学就开始接触了。而在日常生活中，不必通过学习我们就具备这些直觉概念。例如两维，我们有东西南北方向，对应于两个垂直的轴分别在两个方向上的延长。要决定平面上的一个点，我们只需要给出两个座标，每个座标就是对应轴的投影位置。我们生活在三维空间中，在东西南北之外，我们还有上下的概念，也就是在两个座标外添加了第三个座标。

我和李霄栋、王爽、王一的暗能量review已经发表，pdf可以下载了，网址： Dark Energy 感谢Comm. Theor. Phys. 为本文专门加厚了 2011, 56这一期。 另外，我们仍然会不断更新arXiv里文章中的文献，请不吝指教。 这篇文章将扩充成书，作为北京大学出版社物理精品书系中的一本出版。 今天中午和Robbert Dijkgraaf一行荷兰科学代表团见面、吃饭，得知Erik Verlinde将会有两篇新文章，关于熵引力。各位耐心等待。 今年的Dirac Medal颁给： Edouard Brézin (École Normale Supérieure, Paris, France), John Cardy (University of Oxford, Oxford, UK), and Alexander Zamolodchikov (Rutgers University, New Jersey, USA). 这三位研究量子临界现象，特别是利用二维场论来研究，具体见 ICTP … 继续阅读 →