那些用肩膀托起爱因斯坦的巨人们

编辑时间:2019-07-05 12:00:12 作者:廉颇老矣

在所有物理学理论中,爱因斯坦创造的广义相对论无疑是最美丽和最深刻的理论之一。从1919年5月对爱因斯坦着名世界的星光偏转的验证,黑洞合并产生的引力波在2015年9月直接检测到,直接由2019年4月宣布的第一个黑洞成像。照片,人们已经使用了100年以不同的方式证明这个伟大的理论是正确的。

然而,正如奠定经典力学基础的牛顿站在巨人的肩膀上看自己更远,爱因斯坦的广义相对论并非凭空而来。他在不同的时间使用不同的巨大肩膀让自己看得更远。

被称为“人类历史上最后一位全能数学家”的庞加莱,也被翻译为彭加勒,是第一个对爱因斯坦产生深远影响的巨人。1905年,26岁的爱因斯坦发表了第一篇关于相对论的论文。但在此之前,洛伦兹和庞加莱有许多类似的结果。特别是,庞加莱在前几年总结了他早期论文中着名的“科学与假设”一书中提到的几个假设,如“同步相对论”;这个假设后来在爱因斯坦关于他的相对论的论文中,作为两个基本假设之一,另一个假设是麦克斯韦的结论是“光速不随照明物体的速度而变化”。

事实上,爱因斯坦的相对论大多数结果,Poincaré之前已经获得。虽然爱因斯坦可能无法及时看到庞加莱在这个领域的工作,但他至少看过庞加莱的科学和假设-他回忆起他大学毕业后读过这本书。这本书的德语翻译深受这本书的吸引。但庞加莱似乎并不重视他所得到的结果背后的惊人画面,他并没有踢出去。即便如此,由于庞加莱的许多贡献,他仍然被称为“相对论先驱”。

着名的数学家闵可夫斯基是第二个影响爱因斯坦的巨人。他曾在大学教过爱因斯坦数学课程。在爱因斯坦创立相对论之后,闵可夫斯基用他精湛的数学技巧将爱因斯坦的理论解释为平面四维“时空”中的物理学。Poincaré于1898年首次提出将时间作为一个维度并将其与空间相结合。当爱因斯坦想要将重力引入他的相对论时,他意识到了Minkowski描述的平面四维时空的重要性:他想研究的引力理论是一个弯曲的四维时空,只要他滑雪的时空,你就可以。

然后,爱因斯坦立即意识到他遇到了一个巨大的困难:他没有掌握描述弯曲时间和空间的数学工具。爱因斯坦找到了一位好朋友,前同学,然后是同事,数学教授格罗斯曼,并请求格罗斯曼提供帮助。格罗斯曼翻遍大量文献,发现爱因斯坦研究所需的新理论数量学习由几位数字学家开发。

事实证明,早在1827年,具有“数学王子”美誉的伟大数学家高斯就在研究表面时摆脱了外部空间依赖性,并直接研究了表面的距离和曲率-曲率。他证明,只要表面没有受损结构,表面的曲率就是一个不变量。高斯将这个结果称为“奇妙的定理”。1854年,高斯的胜利黎曼将高斯研究的表面扩展到三维,四维甚至任意维度的弯曲空间。在黎曼去世后,他提升的几何形状几乎没有受到影响,只有少数数学家增加了一些细节。

格罗斯曼告诉爱因斯坦,弯曲时间和空间所需的数学工具都准备好了。现在需要的是将四维空间改变为四维时空,然后将这些数学工具应用于新理论。1913年,爱因斯坦和格罗斯曼共同发表了一篇论文。在接下来的两年里,爱因斯坦独立进步,并于1915年底成功建立了自己的新理论。这一理论是广义相对论。

1919年5月,由爱丁顿领导的团队测量了在日全食期间太阳的时空曲率偏转的遥远星光的角度,这与爱因斯坦理论的预测高度一致。消息发布后,爱因斯坦立即前往祭坛,被世界视为第二个牛顿。尽管Eddington的测量结果具有一定的偶然性,但几十年后的连续测量证明了太阳附近的星光偏转角确实是广义相对论预测的值。

什么时候当我们哀叹广义相对论的美,深度和精确性时,我们不仅要欣赏爱因斯坦非凡的智慧,还要欣赏高斯,黎曼,庞加莱和闵可夫斯基等科学巨人的巨大贡献。我们还必须认识到,伟大的科学变革往往不是突然的变化。他们中的大多数人必须经历长期的积累和渐进的变化。在这个漫长的过程中,许多优秀人才将贡献自己的才能,成为为巨人提供支撑的巨人。

爱因斯坦认为,在影响广义相对论的巨人中,最有影响力的人是高斯。在晚年,爱因斯坦承认庞加莱在相对论领域的先进贡献。因此,我们可以说:高斯是人类历史上最伟大的数学家,是爱因斯坦脚下最高的巨人;还有庞加莱,他从死后就对他的数学产生了深刻的影响。这位在该领域发展了一百多年的伟大数学家是爱因斯坦脚下第二高的巨人。

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