系统自然观的科学确立有什么重大意义 - 大学物理电磁场ppt

时间:2018-12-07分类:物理

系统自然观的科学确立有什么重大意义

辩证唯物主义自然观的现代视野(一)

现代自然观研究内容的深化:“物质观→系统、层次观→运动、时空观→演化发展观”

第一节:自然界物质形态的多样性与统一性

“存在的自然界-演化的自然界-人化的自然界-人与自然协调发展”

1. 存在的自然界

自然界统一于一切物质形态的共同本质—客观实在性,各种不同的物质运动形式和过程之间通过相互转化而联结成一个统一的整体。存在的自然界,也就是当前的各门自然科学的研究能够涉猎的对象总体。“所谓自然就是理性观察,实验的种种对象。”(布丰、洪堡)。“我们自然科学的界限,直到今天仍然是我们的宇宙,而在我们的宇宙以外的无限多的宇宙,是我们认识自然时还不知到的。”(恩格斯)。“相信在我们的意识之外有一个独立存在的自然界,这是科学研究的起点。”(爱因斯坦) 从物质形态上来说,存在的自然界是实体与场(引力场-电磁场-强场-弱场)的总合。今天人类正探索着“渺观-微观-宏观-宇观-胀观”5个层次时空范围的客观世界。人类探索存在的自然界的三个方向分别是:

(1)向宏观层次方向发展:我们研究“分子-生物大分子-细胞-生物个体-种群-人类社会” ;

(2)向宇观层次发展,我们研究“行星-恒星-星系-星系团-总星系,黑洞的形成,类星体和

暗物质……”;

(3)向微观层次发展,我们研究“原子-原子核-基本粒子-夸克-……”;

(4)向非线性和复杂性方向发展,我们研究各种物质形态、层次、结构和功能以及信息的相互关系……。

2. 演化的自然界

自然界“过去→现在→未来”生成和转化的多样性统一体。

辩证唯物主义的自然观把世界看成是在本质上某种从混沌中产生出来的东西,即某种发展的东西,某种逐渐生成的东西。根据大爆炸宇宙学的理论,大约在150亿年前的爆炸初期,宇宙处于高温高密状态,只存在着中子、质子、电子、中微子等基本粒子。以后宇宙沿着两条线平行发展:一条是宇观链,即天体演化和地质演化;另一条是微观~宏观链,后者表现为物理进化、化学进化、生物进化和社会进化。现代自然科学所认识到的物质形态的多样性,就是物质在运动、变化和发展中沿着这两条链逐渐生成并且不断转化的。物质首先分为场与实物。场有电磁场、强场、弱场和引力场。实物从简单的粒子一直到复杂的生物个体。场与实物之间有相互作用。20世纪60年代初,在加速器的实验中,发现了100多种基本粒子。这些基本粒子分为两类:一类是参与强相互作用的粒子,如中子、质子、π介子、奇异粒子和一系列的共振态粒子,统称为强子;另一类只是参与电磁、弱相互作用的粒子,如电子、μ子和中微子等,统称为轻子。高能物理实验又进一步揭示上百种强子是由更小的夸克组成,到1995年共发现了6种夸克(上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克)是构成数百种强子的基本单元,同时轻子的发现也达到6种(电子、电子型中微子、μ子、μ子型中微子、γ轻子、γ型中微子),因此,夸克与轻子就是目前认识到的物质结构的新层次。从层子基本粒子原子核原子的发展过程称为物理进化。由原子分子生物大分子的发展过程称为化学进化。由生物大分子单细胞生物植物、动物;高级动物人类的发展过程称为生物进化。人类有感觉、思维、意识形态,人类社会有各种不同的形态的社会进化。从天体演化地质演变人工自然进化中产生的物质形态有:总星系星系团星系恒星行星(地球)物质凝聚态原材料工农业产品人工智能机器人……。21世纪最大的挑战或者说最新的物质形态将是人造生命的诞生。物质世界的形态是多样的,但这些物质形态又统一于它们的唯一特性客观实在性。

3. 人化的自然界

自在的自然界→ 人化的自然界→人工的自然界

(1)自在的自然界:人类的认识和作用手段尚未触及的那部分自然界(空间上总星系之外,胀观层次无限广阔的宇宙;基本粒子以下,藐观层次无限多样的物质形态;以及渺观-微观-宏观-宇观-胀观各层次中尚未认识到的非线性复杂系统和过渡转化形态。它们目前尚且只是一种纯客观自在的黑箱系统,只是人化自然进一步拓展的潜在基础。)

(2)人化的自然界:人类观察而能感知其信息的自然界,包括所有进入人类认识和实践范围的自然物,自然现象和自然过程。人化的自然界可视为人与自然构成的一个通讯系统,它的范围是同一时代自然科学的边界。

(3)人工的自然界:人类实践的成果、实践手段所及从而被改变了的那一部分自然界。包括人工自然物,人为现象和过程,以及受到人类实践活动影响的地球与空间生态系统 。

4. 人与自然协调发展:

人与自然的关系是现代自然观的出发点和归宿。

(1)从人类社会的历史形态的演化来说:

“人与自然的原始和谐”(原始社会、渔猎社会)→人类的行为的后果尚在纯自然的生态安全的范围之内,没有超出纯自然的自我调节、自我修复和循环再生的能力。

“人与自然的尖锐对立”(农业社会→工业社会)→人类的行为的后果越出了纯自然的生态安全的范围之外,作为人类实践产物的人化自然和人工自然则缺乏自我调节、自我修复和循环再生的机制与能力。

“人与自然协调发展”(可持续发展的信息社会)→建立与健全人化自然和人工自然的自我调节、自我修复和循环再生的机制与能力,将人类的行为的后果有效地控制在纯自然的生态安全范围之内;把生态规律与经济规律结合起来,从“地球村”的整体角度重建社会圈与生物圈-水圈-岩石圈-大气圈的平衡。

(2)从自然观形态上来说:

“人是自然的奴隶”-“以认识自然为主-古代朴素自然观”

“人是自然的主人”-“以改造自然为主-形而上学自然观”

“人与自然平衡的重建”-“社会与自然协调可持续发展-辩证唯物主义的自然观”

辩证唯物主义自然观的现代视野(二)

自然界的物质多样性主要是回答在自然界中存在着的“是什么”的问题;至于自然界“如何存在”的问题,则是由系统观、时空观和演化观来回答的。

第二节:自然界物质存在方式的系统性与层次性

1. 物质联系方式的系统性

如何看待人类所面对的自然界?在不同历史条件与科学理论的背景之下,不同的自然观有着不同的思维方式:古代的科学思维方式既是整体的,又是思辩的,用猜测来弥补科学事实之不足,因此认为自然界的构成是一种“原子(实体)+ 虚空”的模式。近代的科学思维方式是分析的、还原的,同时又是经验(实证)的。20世纪人类思想史上的重大飞跃,就是在实证科学的基础上,既注意追求谨严精细同时又注意追求整体;因此现代的科学思维方式实现了由 实体(无内部结构、各向同一) 到 系统(内部由要素和层次组成,外部有环境)的飞跃。这就是说,物质在具有无限多样性的存在方式的同时,又集合成为拥有各自特异的性质与关系的集合体。因此,按照与整体联系在一起的事实与事件来思考世界的方式,用集成的性质与关系的集合体来思考世界的方式就形成了系统的观点。用系统论的观点看自然—-这就是对待存在的自然界的现代科学思维方式。恩格斯在19世纪后期确立辩证唯物主义的自然观时就已深刻指出,由于自然科学的发展,人们已经能够以近乎系统的形式描绘出一幅自然界普遍联系及其整体性的清晰的图景。

系统思想是从不同学科的发展中产生出来的,因此对系统概念的表述也带有一些学科思维方式的特色,例如,从关系、集合的角度定义系统,或从输出、输入、变换的角度定义系统,从结构与功能的角度定义系统…等等。从哲学自然观的角度上看,可以认为系统是物质普遍联系的一种方式。物质存在的系统方式,就是以各要素的属性为基础经由特定关系而形成的具有特定功能的整体。对系统概念的理解,包括如下要点:系统由若干要素组成。系统的要素之间存在着特定关系,形成特定的结构(数量结构、空间结构、时间结构、相互作用结构…。)系统的结构使它成为一个有特定功能的整体。功能是在系统与外部环境的相互作用中表现出来的。只有那些由于物质、能量、信息的交换并且形成新的属性突现的联系,才能构成系统。

用系统的观点看自然界,所有的物质形态都处于系统之中。然而,从不同的角度可以划分不同的系统类型。例如,从系统与环境的关系,可以区分为:孤立系统、封闭系统、开放系统。从人类对自然物的参与程度,可以区分为:天然系统、人工系统、复合系统。从系统内各要素的相互作用的特点分析,可以区分为:简单的线性系统-复杂的线性系统;简单的非线性系统-复杂的非线性系统。从人类对自然物的认识程度,可以区分为:黑系统、白系统和灰系统。…等等。

美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲创立的一般系统论,作为一门横断科学,它在本质上与唯物辩证法有不解之缘。一般系统论的整体性原则扩充了矛盾学说关于如何规定矛盾群体性质的思想。一般系统论的有序性原则丰富了矛盾学说关于怎样分析矛盾特殊性的思想。

一般系统论关于要素相互作用的原则深化了矛盾学说关于矛盾双方相互依存与相互转化的思想。

2. 物质结构的层次性(系统内在结构的型式)

20世纪以来,自然科学研究使人们越来越清楚地认识到物质不仅是自然界统一的基石,而且它还以系统的方式存在,系统内部又具有层次等级式的组织化特征。目前,已确认的科学事实揭示出在非生命世界中,夸克是已知的最低物质层次;若干夸克结合在一起可以构成基本粒子(强子);若干基本粒子(主要是质子和中子)通过强相互作用而构成原子核;原子核与电子通过电磁相互作用而结合为原子;若干原子再通过电磁相互作用而构成分子。以上这几个层次均属微观领域。分子结合起来而构成分子体系、凝聚态物体以及卫星、小行星等,这是宏观领域中最低的物质层次。由恒星以及恒星与行星、卫星构成的“恒星一行星系”,是较高一级的物质层次。恒星之间通过引力相互作用所构成的星系和星系团又高了一个层次。星系、星系团再通过引力相互作用构成总星系,这是目前已知的物质世界的最高层次。星系团及其以上的物质层次统称为宇观领域。在生命世界中,最基本的层次是蛋白质和核酸结合成的生物大分子体系。生物大分子所构成的细胞是生命体的形态结构和生命活动的基本单位;细胞逐步分化形成组织,组织合成器官,器官合成系统,不同系统又组合为生物个体,这是生命有机体内的层次。生物个体组成为种群,它是物种存在和繁殖的基本单位,比生命个体又高了一层次。生活在一定区域的不同生物种群形成生物群落,生物群落及其生活的无机环境又构成生态系统,比种群又高了一个层次。地球上所有的生物和它们的物理环境组合起来就是生物圈,这是生物界的最高层次。

物质结构的层次性揭示了物质世界内部结构的不同等级和水平,以及它们之间纵向的有序关系。体现了物质运动的形式从简单到复杂的演化状况,并且根据物质处于不同结构水平时所具有的特征、差别和多样性,成为现代科学分类的客观依据。现代自然科学研究表明,每一个较为复杂的物质系统都是按层次结构组织起来的,每个系统既是较高一级系统的一个要素,又是较低一级的系统。由于不同的物质结构具有不同的功能,因而物质运动在不同的层次上又具有自身的特殊性和规律性,例如物体在宏观低速运动情况下和微观高速运动情况下分别遵循古典力学和量子力学的规律。物质结构观是对自然界各种物质形态之间的相互关系的规律性认识。随着自然科学对物质探索的深人,自然科学的物质结构观从单纯追求物质结构基元的古典原子论,发展为探索物质结构层次及其相互关系复杂多样的现代物质无限可分论。从古到今,科学家们在揭开物质结构之谜的探索中,突破了原子不可再分的陈旧观念,此后建立的原子结构模型是对物质结构理论的第二次突破。1919年原子核存在的被证实和质子的发现以及1932年中子的发现,形成了原子核是由质子和中子通过强相互作用结合而成的原子核结构理论。这是对物质结构认识的第三次突破。随着核物理学的诞生,当前自然科学对深层物质结构的探索已从原子层次走向夸克和轻子层次。但是,21世纪人们对物质结构的前沿问题还在不断进行探索,例如模拟宇宙初始时的物质状态,了解暗物质和类星体的能源,了解粒子和反粒子不对称的原理,探索我们的宇宙中为什么没有很多的反质子和正电子的问题等。随着对这些问题探索的深人,辩证唯物主义的自然观将在对物质形态的多样性存在与转化问题、对称与破缺问题、物质无限可分等问题的概括和总结方面上一个较大的台阶,使辩证唯物主义的物质范畴在更高的层次上实现辩证综合。自然科学的发展说明,在自然界中物质结构的层次系统,并不是单一的直线序列,而是错综复杂,多种多样的。那种把自然界结构的某一层次,当作物质不可再分的绝对极限,进而否定物质可分性的观点;以及把物质结构的层次看成是单纯的量的分割,没有看到不同层次之间有着质的差别的哪种物质“无限可分”的观点都是错误的。自然界各物质系统之间不仅存在横向联系,更重要的是存在着纵向关联,从而组成了一个连续的等级组织结构,即物质系统的层次结构。在这样的层次结构中存在着纵向关联的双向因果关系。其中,上向因果关系表明了低层次系统对高层次系统的基础性作用,它是高层次结构得以产生和稳定的必要条件;而下向因果关系则表明了高层次系统对低层次系统的支配调节性作用。在科学高度分化与高度综合的现时代,哲学与科学,系统论与辩证唯物论是相互补充的。现代自然科学的发展,一方面强化了辩证唯物论的作用,要求科学自觉地以唯物的辩证思维来指导自身;另一方面又强化了自然科学以及横断科学如一般系统论等的作用,要求辩证唯物论随着科学的重大发展来不断充实和丰富自然观的内容,并不断改变自己的形式。

单片机要学到什么程度才算好的

单片机学到怎样的程度才算可以?

实我也想知道这个问题。

单片机只是单片机布局,做项目的时候不是单纯的使用单片机,而且主要是周转的元器件。选型搭配。

如果单片机搞不定,就需要AVR,STM32,DSP等,那还得继续钻研学习。

现在单片机不是主要,甚至ARM都不吃香,吃香的是FPGA,但这属于偏门(自己的看法,用途较窄)。

还有软件的设计,包括算法,其实我认为单片机的灵魂,包括ARM,AVR和DSP等,其关键的地方就是软件,也就是算法。如果这个搞定了,剩下的就是不是问题的问题了。

但算法这个东西,涉及到高等数学,PID,微积分,还有基础物理学等等。

因此,学习是无止境的。。

希望对你有用。。

春满人间百花吐艳 福临小院四季常安 欢度春节

试用说明文写一篇关于爱因斯坦的生平的小短文

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879—1955)。物理学家。生于德国。1900年毕业于苏黎世工业大学并入瑞士藉。1905年获苏黎世工业大学哲学博士学位。曾在伯乐尼专利局任职。苏黎世大学、布拉格德意志大学及苏黎世工业大学教授,并当选为普鲁士科学院院士。1913年返回德国,任柏林威廉皇帝物理学院和柏林大学教授,并当选为普鲁士科学院院士。1933年因受纳粹政权迫害,迁居美国,任普林斯顿高极研究所教授,从事理论物理研究。1940年入美国藉。在物理学多个领域均有重大贡献。其中最重要的是建立了狭义相对论(1905年);并在这基础上推广为广义相对论(1916)。还提出光的量子概念,并用量子理论解释了光电效应、辐射过程和固体的比热。在阐明布朗运动,并发展量子统计法方面都有成就。后期致力于相对论“统一场论”的建立,企图把电磁场和引力场统一起来。对宇宙学说也有贡献。相对论的观念和方法对理论物理学的发展有极为深远的影响。因理论物理学方面的贡献,特别是发现光电效应定律,获得1912年诺贝尔物理学奖。著有《论动体的电动力学》、《关于辐射的量理论》、《广义相对论的基础》、《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》、《相对论的数学理论》、《空间、时间和引力》、《物理学的哲学》等。

寻关于力学中三种常见的力的课件

狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论,因此要弄清相对论的内容,要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间,但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思,只有数学意义,在此不做讨论。

四维时空是构成真实世界的最低维度,我们的世界恰好是四维,至于高维真实空间,至少现在我们还无法感知。我在一个帖子上说过一个例子,一把尺子在三维空间里(不含时间)转动,其长度不变,但旋转它时,它的各坐标值均发生了变化,且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标,它与空间坐标是有联系的,也就是说时空是统一的,不可分割的整体,它们是一种”此消彼长”的关系。

四维时空不仅限于此,由质能关系知,质量和能量实际是一回事,质量(或能量)并不是独立的,而是与运动状态相关的,比如速度越大,质量越大。在四维时空里,质量(或能量)实际是四维动量的第四维分量,动量是描述物质运动的量,因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里,动量和能量实现了统一,称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度,四维加速度,四维力,电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是,电磁场方程组的四维形式更加完美,完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多,这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性,我们不能对它妄加怀疑。

相对论中,时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空,能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到,时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。

3 狭义相对论基本原理

物质在相互作用中作永恒的运动,没有不运动的物质,也没有无物质的运动,由于物质是在相互联系,相互作用中运动的,因此,必须在物质的相互关系中描述运动,而不可能孤立的描述运动。也就是说,运动必须有一个参考物,这个参考物就是参考系。

伽利略曾经指出,运动的船与静止的船上的运动不可区分,也就是说,当你在封闭的船舱里,与外界完全隔绝,那么即使你拥有最发达的头脑,最先进的仪器,也无从感知你的船是匀速运动,还是静止。更无从感知速度的大小,因为没有参考。比如,我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态,因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用,作为狭义相对论的第一个基本原理:狭义相对性原理。其内容是:惯性系之间完全等价,不可区分。

著名的麦克尔逊--莫雷实验彻底否定了光的以太学说,得出了光与参考系无关的结论。也就是说,无论你站在地上,还是站在飞奔的火车上,测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理,光速不变原理。

由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式,速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变幻,与传统的法则相矛盾,但实践证明是正确的,比如一辆火车速度是10m/s,一个人在车上相对车的速度也是10m/s,地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s,而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情况下,这种相对论效应完全可以忽略,但在接近光速时,这种效应明显增大,比如,火车速度是0。99倍光速,人的速度也是0。99倍光速,那么地面观测者的结论不是1。98倍光速,而是0。999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢,对他来说也是光速。因此,从这个意义上说,光速是不可超越的,因为无论在那个参考系,光速都是不变的。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明,是无可挑剔的。正因为光的这一独特性质,因此被选为四维时空的唯一标尺。

4 狭义相对论效应

根据狭义相对性原理,惯性系是完全等价的,因此,在同一个惯性系中,存在统一的时间,称为同时性,而相对论证明,在不同的惯性系中,却没有统一的同时性,也就是两个事件(时空点)在一个关性系内同时,在另一个惯性系内就可能不同时,这就是同时的相对性,在惯性系中,同一物理过程的时间进程是完全相同的,如果用同一物理过程来度量时间,就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道,非惯性系中,时空是不均匀的,也就是说,在同一非惯性系中,没有统一的时间,因此不能建立统一的同时性。

相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系,发现运动的惯性系时间进度慢,这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走的越慢,接近光速时,钟就几乎停止了。

尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值的差。由于"同时"的相对性,不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,这就是所谓的尺缩效应,当速度接近光速时,尺子缩成一个点。

5 狭义相对论效应2

由以上陈述可知,钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性。也就是说,时间进度与参考系有关。这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观,相对论认为,绝对时间是不存在的,然而时间仍是个客观量。比如在下期将讨论的双生子理想实验中,哥哥乘飞船回来后是15岁,弟弟可能已经是45岁了,说明时间是相对的,但哥哥的确是活了15年,弟弟也的确认为自己活了45年,这是与参考系无关的,时间又是"绝对的"。这说明,不论物体运动状态如何,它本身所经历的时间是一个客观量,是绝对的,这称为固有时。也就是说,无论你以什么形式运动,你都认为你喝咖啡的速度很正常,你的生活规律都没有被打乱,但别人可能看到你喝咖啡用了100年,而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。

6 时钟佯谬或双生子佯谬

相对论诞生后,曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬。一对双生子A和B,A在地球上,B乘火箭去做星际旅行,经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言,二人经历的时间不同,重逢时B将比A年轻。许多人有疑问,认为A看B在运动,B看A也在运动,为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系,B要经历加速与减速过程,是变加速运动参考系,真正讨论起来非常复杂,因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了,只是要用到许多数学知识和公式。在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节,有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是,无论在那个参考系中,B都比A年轻。

为使问题简化,只讨论这种情形,火箭经过极短时间加速到亚光速,飞行一段时间后,用极短时间掉头,又飞行一段时间,用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论,火箭始终是动钟,重逢时B比A年轻。在火箭参考系内,地球在匀速过程中是动钟,时间进程比火箭内慢,但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中,地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周,到达火箭的前方很远的地方。这是一个"超光速"过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾,这种"超光速"并不能传递任何信息,不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程,火箭与地球就不能相遇,由于不同的参考系没有统一的时间,因此无法比较他们的年龄,只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后,B不能直接接受A的信息,因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是在掉头过程中,地球的时间进度猛地加快了。在B看来,A现实比B年轻,接着在掉头时迅速衰老,返航时,A又比自己衰老的慢了。重逢时,自己仍比A年轻。也就是说,相对论不存在逻辑上的矛盾。

7 狭义相对论小结

相对论要求物理定律要在坐标变换(洛伦兹变化)下保持不变。经典电磁理论可以不加修改而纳入相对论框架,而牛顿力学只在伽利略变换中形势不变,在洛伦兹变换下原本简洁的形式变得极为复杂。因此经典力学与要进行修改,修改后的力学体系在洛伦兹变换下形势不变,称为相对论力学。

狭义相对论建立以后,对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的范围,成为研究高速粒子不可缺少的理论,而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后,却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后,惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律实质一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而"不受外力"是什么意思?只能说,不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样,惯性系的定义就陷入了逻辑循环,这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系,但宇宙中却不存在真正的惯性系,整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连,必须修正,但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了,万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力,其中一种就冒出来捣乱,情况当然不会令人满意。

爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论,然而为解决这两个困难,建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题,爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位,把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究了惯性力后,提出了著名的等性原理,发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。几经曲折,爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃一惊,引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时,由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现,两大理论并不相容,至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战:爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止,只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。爱因斯坦为解决这一问题耗费了后半生三十年光阴却一无所获。不过他的工作为物理学家们指明了方向:建立包含四种作用力的超统一理论。目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。

8 广义相对论概述

相对论问世,人们看到的结论就是:四维弯曲时空,有限无边宇宙,引力波,引力透镜,大爆炸宇宙学说,以及二十一世纪的主旋律--黑洞等等。这一切来的都太突然,让人们觉得相对论神秘莫测,因此在相对论问世头几年,一些人扬言"全世界只有十二个人懂相对论"。甚至有人说"全世界只有两个半人懂相对论"。更有甚者将相对论与"通灵术","招魂术"之类相提并论。其实相对论并不神秘,它是最脚踏实地的理论,是经历了千百次实践检验的真理,更不是高不可攀的。

相对论应用的几何学并不是普通的欧几里得几何,而是黎曼几何。相信很多人都知道非欧几何,它分为罗氏几何与黎氏几何两种。黎曼从更高的角度统一了三种几何,称为黎曼几何。在非欧几何里,有很多奇怪的结论。三角形内角和不是180度,圆周率也不是3。14等等。因此在刚出台时,倍受嘲讽,被认为是最无用的理论。直到在球面几何中发现了它的应用才受到重视。

空间如果不存在物质,时空是平直的,用欧氏几何就足够了。比如在狭义相对论中应用的,就是四维伪欧几里得空间。加一个伪字是因为时间坐标前面还有个虚数单位i。当空间存在物质时,物质与时空相互作用,使时空发生了弯曲,这是就要用非欧几何。

相对论预言了引力波的存在,发现了引力场与引力波都是以光速传播的,否定了万有引力定律的超距作用。当光线由恒星发出,遇到大质量天体,光线会重新汇聚,也就是说,我们可以观测到被天体挡住的恒星。一般情况下,看到的是个环,被称为爱因斯坦环。爱因斯坦将场方程应用到宇宙时,发现宇宙不是稳定的,它要么膨胀要么收缩。当时宇宙学认为,宇宙是无限的,静止的,恒星也是无限的。于是他不惜修改场方程,加入了一个宇宙项,得到一个稳定解,提出有限无边宇宙模型。不久哈勃发现著名的哈勃定律,提出了宇宙膨胀学说。爱因斯坦为此后悔不已,放弃了宇宙项,称这是他一生最大的错误。在以后的研究中,物理学家们惊奇的发现,宇宙何止是在膨胀,简直是在爆炸。极早期的宇宙分布在极小的尺度内,宇宙学家们需要研究粒子物理的内容来提出更全面的宇宙演化模型,而粒子物理学家需要宇宙学家们的观测结果和理论来丰富和发展粒子物理。这样,物理学中研究最大和最小的两个目前最活跃的分支:粒子物理学和宇宙学竟这样相互结合起来。就像高中物理序言中说的那样,如同一头怪蟒咬住了自己的尾巴。值得一提的是,虽然爱因斯坦的静态宇宙被抛弃了,但它的有限无边宇宙模型却是宇宙未来三种可能的命运之一,而且是最有希望的。近年来宇宙项又被重新重视起来了。黑洞问题将在今后的文章中讨论。黑洞与大爆炸虽然是相对论的预言,它们的内容却已经超出了相对论的限制,与量子力学,热力学结合的相当紧密。今后的理论有希望在这里找到突破口。

9 广义相对论基本原理

由于惯性系无法定义,爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系,提出了广义相对论的第一个原理:广义相对性原理。其内容是,所有参考系在描述自然定律时都是等效的。这与狭义相对性原理有很大区别。在不同参考系中,一切物理定律完全等价,没有任何描述上的区别。但在一切参考系中,这是不可能的,只能说不同参考系可以同样有效的描述自然律。这就需要我们寻找一种更好的描述方法来适应这种要求。通过狭义相对论,很容易证明旋转圆盘的圆周率大于3。14。因此,普通参考系应该用黎曼几何来描述。第二个原理是光速不变原理:光速在任意参考系内都是不变的。它等效于在四维时空中光的时空点是不动的。当时空是平直的,在三维空间中光以光速直线运动,当时空弯曲时,在三维空间中光沿着弯曲的空间运动。可以说引力可使光线偏折,但不可加速光子。第三个原理是最著名的等效原理。质量有两种,惯性质量是用来度量物体惯性大小的,起初由牛顿第二定律定义。引力质量度量物体引力荷的大小,起初由牛顿的万有引力定律定义。它们是互不相干的两个定律。惯性质量不等于电荷,甚至目前为止没有任何关系。那么惯性质量与引力质量(引力荷)在牛顿力学中不应该有任何关系。然而通过当代最精密的试验也无法发现它们之间的区别,惯性质量与引力质量严格成比例(选择适当系数可使它们严格相等)。广义相对论将惯性质量与引力质量完全相等作为等效原理的内容。惯性质量联系着惯性力,引力质量与引力相联系。这样,非惯性系与引力之间也建立了联系。那么在引力场中的任意一点都可以引入一个很小的自由降落参考系。由于惯性质量与引力质量相等,在此参考系内既不受惯性力也不受引力,可以使用狭义相对论的一切理论。初始条件相同时,等质量不等电荷的质点在同一电场中有不同的轨道,但是所有质点在同一引力场中只有唯一的轨道。等效原理使爱因斯坦认识到,引力场很可能不是时空中的外来场,而是一种几何场,是时空本身的一种性质。由于物质的存在,原本平直的时空变成了弯曲的黎曼时空。在广义相对论建立之初,曾有第四条原理,惯性定律:不受力(除去引力,因为引力不是真正的力)的物体做惯性运动。在黎曼时空中,就是沿着测地线运动。测地线是直线的推广,是两点间最短(或最长)的线,是唯一的。比如,球面的测地线是过球心的平面与球面截得的大圆的弧。但广义相对论的场方程建立后,这一定律可由场方程导出,于是惯性定律变成了惯性定理。值得一提的是,伽利略曾认为匀速圆周运动才是惯性运动,匀速直线运动总会闭合为一个圆。这样提出是为了解释行星运动。他自然被牛顿力学批的体无完肤,然而相对论又将它复活了,行星做的的确是惯性运动,只是不是标准的匀速圆周而已。

10 蚂蚁与蜜蜂的几何学

设想有一种生活在二维面上的扁平蚂蚁,因为是二维生物,所以没有第三维感觉。如果蚂蚁生活在大平面上,就从实践中创立欧氏几何。如果它生活在一个球面上,就会创立一种三角和大于180度,圆周率小于3。14的球面几何学。但是,如果蚂蚁生活在一个很大的球面上,当它的"科学"还不够发达,活动范围还不够大,它不足以发现球面的弯曲,它生活的小块球面近似于平面,因此它将先创立欧氏几何学。当它的"科学技术"发展起来时,它会发现三角和大于180度,圆周率小于3。14等"实验事实"。如果蚂蚁够聪明,它会得到结论,它们的宇宙是一个弯曲的二维空间,当它把自己的"宇宙"测量遍了时,会得出结论,它们的宇宙是封闭的(绕一圈还会回到原地),有限的,而且由于"空间"(曲面)的弯曲程度(曲率)处处相同,它们会将宇宙与自己的宇宙中的圆类比起来,认为宇宙是"圆形的"。由于没有第三维感觉,所以它无法想象,它们的宇宙是怎样弯曲成一个球的,更无法想象它们这个"无边无际"的宇宙是存在于一个三维平直空间中的有限面积的球面。它们很难回答"宇宙外面是什么"这类问题。因为,它们的宇宙是有限无边的封闭的二维空间,很难形成"外面"这一概念。

对于蚂蚁必须借助"发达的科技"才能发现的抽象的事实,一只蜜蜂却可以很容易凭直观形象的描述出来。因为蜜蜂是三维空间的生物,对于嵌在三维空间的二维曲面是"一目了然"的,也很容易形成球面的概念。蚂蚁凭借自己的"科学技术"得到了同样的结论,却很不形象,是严格数学化的。

由此可见,并不是只有高维空间的生物才能发现低维空间的情况,聪明的蚂蚁一样可以发现球面的弯曲,并最终建立起完善的球面几何学,其认识深度并不比蜜蜂差多少。

黎曼几何是一个庞大的几何公理体系,专门用于研究弯曲空间的各种性质。球面几何只是它极小的一个分支。它不仅可用于研究球面,椭圆面,双曲面等二维曲面,还可用于高维弯曲空间的研究。它是广义相对论最重要的数学工具。黎曼在建立黎曼几何时曾预言,真实的宇宙可能是弯曲的,物质的存在就是空间弯曲的原因。这实际上就是广义相对论的核心内容。只是当时黎曼没有像爱因斯坦那样丰富的物理学知识,因此无法建立广义相对论。

11 广义相对论的实验验证

爱因斯坦在建立广义相对论时,就提出了三个实验,并很快就得到了验证:(1)引力红移(2)光线偏折(3)水星近日点进动。直到最近才增加了第四个验证:(4)雷达回波的时间延迟。

(1)引力红移:广义相对论证明,引力势低的地方固有时间的流逝速度慢。也就是说离天体越近,时间越慢。这样,天体表面原子发出的光周期变长,由于光速不变,相应的频率变小,在光谱中向红光方向移动,称为引力红移。宇宙中有很多致密的天体,可以测量它们发出的光的频率,并与地球的相应原子发出的光作比较,发现红移量与相对论语言一致。60年代初,人们在地球引力场中利用伽玛射线的无反冲共振吸收效应(穆斯堡尔效应)测量了光垂直传播22。5M产生的红移,结果与相对论预言一致。

(2)光线偏折:如果按光的波动说,光在引力场中不应该有任何偏折,按半经典式的"量子论加牛顿引力论"的混合产物,用普朗克公式E=hr和质能公式E=MC^2求出光子的质量,再用牛顿万有引力定律得到的太阳附近的光的偏折角是0。87秒,按广义相对论计算的偏折角是1。75秒,为上述角度的两倍。1919年,一战刚结束,英国科学家爱丁顿派出两支考察队,利用日食的机会观测,观测的结果约为1。7秒,刚好在相对论实验误差范围之内。引起误差的主要原因是太阳大气对光线的偏折。最近依靠射电望远镜可以观测类星体的电波在太阳引力场中的偏折,不必等待日食这种稀有机会。精密测量进一步证实了相对论的结论。

(3)水星近日点的进动:天文观测记录了水星近日点每百年移动5600秒,人们考虑了各种因素,根据牛顿理论只能解释其中的5557秒,只剩43秒无法解释。广义相对论的计算结果与万有引力定律(平方反比定律)有所偏差,这一偏差刚好使水星的近日点每百年移动43秒。

(4)雷达回波实验:从地球向行星发射雷达信号,接收行星反射的信号,测量信号往返的时间,来检验空间是否弯曲(检验三角形内角和)60年代,美国物理学家克服重重困难做成了此实验,结果与相对论预言相符。

仅仅依靠这些实验不足以说明相对论的正确性,只能说明它是比牛顿引力理论更精确的理论,因为它既包含牛顿引力论,又可以解释牛顿理论无法解释的现象。但不能保证这就是最好的理论,也不能保证相对论在时空极度弯曲的区域(比如黑洞)是否成立。因此,广义相对论仍面临考验。

12 黑洞漫谈之常规黑洞简介

沸腾的黑洞,你将把物理学引向何方?透过奇异的黑暗,辐射出新世纪的曙光。

19世纪末20世纪初,物理界出现了两朵乌云:黑体辐射与迈克尔逊实验。一年后,第一朵乌云降生了量子论,五年后,第二朵乌云降生了相对论。经过一个世纪的发展,又在这世纪之交,物理界又降生了两朵乌云:奇点困难和引力场量子化困难。这两个困难可能通过黑洞与大爆炸的研究而解决。

基本粒子,天体演化,和生命起源是当代自然科学的三大课题。黑洞与宇宙学的研究与基本粒子,天体演化有密切关系。特别是黑洞的研究涉及一些根本性的问题,有助于我们深入认识自然界,因此,黑洞是本连载的重中之重。

牛顿理论也曾预言过黑洞,将光作为粒子,当光被引力拉回时,就成为一个黑洞。它与现代理论预言的黑洞不同,牛顿黑洞是一颗死星,是天体演化的最终归宿。而现代黑洞,却只是天体演化的一个中间阶段,黑洞也在变化,甚至有些变化异常激烈。黑洞可以发光,放热,甚至爆炸。黑洞不是死亡之星,甚至充满生机。黑洞是相对论的产物,却超出了相对论的范围,与量子论和热力学之间存在深刻的联系。由天体演化形成的黑洞称为常规黑洞。

1972年,美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞"无毛定理":星体坍缩成黑洞后,只剩下质量,角动量,电荷三个基本守恒量继续起作用。其他一切因素("毛发")都在进入黑洞后消失了。这一定理后来由霍金等四人严格证明。

由此定理可将黑洞分为四类。(1)不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞。(2)不旋转带电黑洞,称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。(3)旋转不带电黑洞,称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。(4)一般黑洞,称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

其中最重要的是施瓦西黑洞和克尔黑洞。因为黑洞一般不带电荷,却大都高速旋转,旋转一周只需千分之几秒甚至更小。一般来说,黑洞平均密度是非常大的,但黑洞质量越大密度越小。太阳质量的黑洞密度为100亿吨/立方厘米,宇宙质量的黑洞密度却只有10^(-23)克/立方米数量级与现在宇宙密度已相差不大,因此有人猜测宇宙可能是个黑洞也不无道理。

黑洞引出了奇点困难,体积为零,密度无穷大的数学奇点应该不会在物理界出现,但是自然界中实在找不到其它的力可以抵抗强大的引力,因此,在奇点附近有可能存在至今未被发现的相互作用或物理定律阻止奇点的形成,这也是研究黑洞的意义之一。

13 黑洞漫谈之静态中性黑洞

利用牛顿理论可知,当逃逸速度达到光速时,光也无法从星球表面射出,这就是牛顿黑洞。光的波动说战胜微粒说后,牛顿黑洞被人们淡忘了,因为波是不受引力影响的。有趣的是,从广义相对论计算出的黑洞条件与牛顿理论计算出的完全相同,从现代眼光看,牛顿理论的推导犯了两个错误:(1)将光子动能MC^2写成了(1/2)MC^2,(2)把时空弯曲当成了万有引力。两个错误相互抵消却得到了正确的结论。因此静态中性黑洞的视界半径与牛顿黑洞的半径完全相同。视界就是(在经典范围内,相对论属于经典物理)任何物质都无法逃离的边界。

我们说的黑洞大小是指它的视界大小,黑洞内部其实基本空无一物,只有一个奇点。这个点的体积无穷小,密度无穷大,所有的物质都被压缩到这个点里。先前我们说过,奇点可能不存在,我们把它当很小的点就可以了。我们来看黑洞吞噬物质的场面:假设两艘飞船里分别有两个人A和B,A远离黑洞,B被黑洞吸引。在B看来,它不断的接近黑洞,不断的加速,以接近光速的速度穿过视界,又以极短的时间撞向中心奇点,被压的粉身碎骨,连原子核都被压碎。在A看来,他看不到B的真实过程,他看到B先加速后减速最后停在视界处,逐渐变暗,最终消失。A看到的只是B的飞船上外壳发出的光的行为,B的真实部分早在A不知不觉中撞向了中心奇点。之所以会有减速过程是因为接近黑洞处时间膨胀,使A看到的速度变慢甚至接近零了。A看到的光停在视界上并不与光速不变原理相矛盾,光速不变原理指的是在四维时空中,光走过的四维