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广义相对论之路 精选

已有 7905 次阅读 2016-5-11 00:44 |个人分类:物理|系统分类:科研笔记


 

去年底,想纪念广义相对论100年,记错了日子——老爱写出引力场方程是在1125,我迟到了一个月,证明时间真是一种“根深蒂固的错觉”(stubborn illusion)。前些时候收到一本新书The Road to RelativityPrinceton University Press, 2016),书名像Penrose的大书The Road to Reality,内容却很单纯,就是对老爱1916年广义相对论论文"the foundation of general relativity"手稿的逐页解读,左边影印,右边解说。科学家的手稿影印出版的不多,我以前只见过费米的量子力学讲义,这会儿找不到了。老爱的手稿当然更有传奇色彩。他1944年重写奇迹年(1905)的“动体的电动力学”,为二战募款6.5百万美元。幸运的是,这篇更伟大的广义相对论手稿留下了;虽然它的世界线颇为曲折,但最后叶落归根了希伯莱大学。本雅明(Walter Benjamin)在《机械复制时代的艺术品》(The Work of Art in the Ageof Mechanical Reproduction)中说,即使最完美的复制品也缺乏特定时间和空间的现场感。我想科学作品则有别样的意义,能生发概念和公式外的感悟。

百年前的今天(1916年5月11),老爱的文章发表在Annalen der Physicik 49: 769-822,这是广义相对论的第一篇完整论述,同年还出了单行本。论文的英译本见The Principle of Relativity: A collection of original memoirs onspecial and general relativity by Lorentz, Einstein, Minkowski and Weyl. (Methuen and Company, Ltd., 1923),此书也90多岁了,但还能amazon买到Dover版重印本;中译本可见《爱因斯坦文集》第二卷。

今天读手稿,除了瞻仰文物,还能温习概念。课本里的相对论,概念是熟的,逻辑是直的,方程是固定的,似乎它们生来就那样;看手稿我们会发现故事好玩儿得多。例如,你拿放大镜找遍手稿也找不到那个我们熟悉的场方程。在手稿里,那方程是下面的样子:

方程可用Ricci张量写成今天的形式,可下面咋多一个度规的约束呢?这正是有趣的地方。

小爱从1907年发现等效原理到191511月写出场方程,爬过了8年难忘的崎岖道路。1933620,老爱从德国跑出来,在英国Glasgow大学讲广义相对论的起源,道出了个中甘苦:

The years of searching in the dark for a truth that one feels but cannot express,the intense desire and the alternations of confidence and misgiving until one breaks through to clarity and understanding are known only to him who has himself experienced them.

我原先的翻译是,“在黑暗中探寻我们感觉到却说不出的真理的岁月里,渴望越来越强,信心时来时去,心情焦虑不安,最后终于穿过迷雾看到光明,这一切,只有亲身经历过的人才会明白。”句子似乎好听,但用词过分了;如果今天译,文字会简省好多。

事实上,直到19156月,小爱都在玩儿错误的游戏;7月到10月间他才发觉错了:根据因果律对一般协变性的限制错了,水星近日点的计算错了,引力的拉格朗日量的唯一性证明错了,甚至张量的常识也有错(Levi-Civita就向他指出过一些错误)……幸运的是(对我们来说),这些错误都留下来了(Unfortunately, I immortalized in [these] academy papers the lasterrors made in this struggle)。我们看他在那些年里犹豫并迟疑着,常说发现了理论的最终形式,几个月后却否定了,然后“自信地”提出新的,然后又否定……19151226,他给P. Ehrenfest写信说,他每年都在抹去前一年写的东西。(“Every year heretracts what he wrote the year before......”)

在最后的关头,小爱还像湘君一样夷犹。11月7,他才从线性变换的约束中解脱出来,才明确坐标系没有实在意义,可还是保留了幺模变换的约束;11月11又倒退,加了一个更严格的度规约束,就是上面多出那个,12日他给希尔伯特写信说那个约束“强化了(enforces)一般协变性”。但那约束意味着物质张量的迹必须为零,当然不对了。

18,他依然坚持两个约束,不过解决了影响广义相对论命运的两个大问题:水星近日点的进动和光线经过太阳的偏折。他很幸运,这两个情形可以用真空度规,他的约束不会带来麻烦,所以错误的理论得到了正确的结果。

25日,场方程出来了。然而,老爱这时都不知Bianchi恒等式,因而不知道他的场方程自然蕴含了守恒律,所以他还多事地将守恒律作为场方程的一个额外约束。

场方程以标准形式出现,是1918……

我们今天从Riemann几何学相对论,从平行移动到联络到Riemann曲率到Ricci张量到Bianchi恒等式,两个小时的观光车就能抵达场方程(如Dirac那本小小书),这会儿回头看老爱爬过的崎岖山路,我们是该感到自豪呢还是该遗憾教科书丢失了太多的东西呢?

手稿第一页,2013年乘爱因斯坦号ATV-4去过国际空间站






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