相对论与少年
时间:2020-05-27      文章来源:科学导报      责任编辑:王强

  本书虽名为少年版,但它实际上为所有想要真正了解相对论的人,敞开了怀抱。“所谓少年版,不过是希望读者总保有少年旺盛的热情罢了。”曹则贤如是说。
  2017年,中科院物理研究所研究员曹则贤出版了一本《量子力学——少年版》。最近,它的姊妹篇《相对论——少年版》问世。

  《相对论——少年版》,曹则贤著,科学出版社2020年4月出版


1痛切的感受

  有这样一句话:“制造相对论文献,是世界上不多的持续增长的工业门类之一。”这让曹则贤觉得讽刺和好笑。
  在世界范围内,相对论都被当作一门艰深的学问,但同时,它也是有极大需求的一门学问。这些需求中,有对知识的纯粹追求,也有用其来“装点门面”、增加谈资的另类需要。与庞大的需求相对应的,是大量的供应。除了职业科学家之外,哲学研究者以及其他各个层次、不同背景的解读者,都在不断地生产着关于相对论乃至爱因斯坦的介绍、解读文章、图书,这使得相对论文献层出不穷、汗牛充栋,全世界莫不如是。在曹则贤看来,这其中,滥竽充数者居多。
  这种现象让曹则贤觉得很无奈,而更令他觉得讽刺的是,当少年时的自己在大学叩问物理之门时,他是连这样良莠不齐的相对论文献都见不到的。
  1982年,16岁的曹则贤考入中国科学技术大学物理系。两年后,他才从郭硕鸿先生编写的电动力学课本上第一次接触到相对论。
  “相对论孤零零的一章,就挂在电动力学课本的最后,介绍得很简单。广义相对论在1915年奠立,在近70年后,这就是我作为知名大学物理系学生学习相对论的唯一来源。别说入门了,就等于你只听过‘相对论’三个字。这样的我们,何谈走到物理学研究的前沿,何谈去和别人竞争?”如今谈到此处,曹则贤仍有着痛切的感受。
  让他记忆更深刻的是,大学毕业后,曹则贤自己作为辅导老师,又去辅助电动力学这门课。“那时候,我根本不知道相对论为何物,代课老师也不知道,我们的课就是这样进行下去的。”
  后来,他留学德国,又回国工作,整日忙碌,但关于相对论的这件事一直埋在心底,直到多年后被又一位少年的问题重新点燃。
  2007年8月的某一天,曹则贤和儿子坐在从北戴河开往北京的列车上。正在玩一个矿泉水瓶的儿子突然问他:“为什么列车开得那么快,而物体下落却和地面上一样?”他心里一动。
  “这是一个我们的祖先早就注意到了的现象,近代科学奠基者伽利略在四个世纪前就有详细的描述。在20世纪初经过爱因斯坦等几个天才头脑的努力,这个思想被发展成了现代物理的两大支柱之一——相对论。”曹则贤说,“这样伟大的思想,它的起源现象可以被一个少年注意到,就一定能够为少年所理解。”这让他萌生了写一本《相对论——少年版》的想法。

2.科学的正确打开方式

  虽然名为少年版,但曹则贤并不打算降低它的难度,把它写成一本简化版、通俗化的书。
  按照曹则贤的说法,这本书提供了广义相对论所需的整套数学及其基础内容。他一直认为,科学的高峰,既不会迎合攀登者的热情,也从不体谅攀登者的羸弱。科学的正确打开方式,不是将其简单化、庸俗化,而是原原本本地呈现给读者,让人们知道真正的学问是什么样子。如何将高难度的数学、物理内容不折不扣地呈现给不同准备程度的读者,考验的是作者的能力。
  要做到这一点,并不容易。“一方面,对爱因斯坦盲目的个人崇拜以及对英雄史诗叙事的追求,妨碍了人们对相对论这一伟大思想的客观认识;另一方面,相对论的很多写作者都缺乏数学知识,或者干脆置数学于不顾,这让很多书籍沦为乏味的纯文本。变换不变性、洛伦兹变换、(微分)几何和张量分析,这些才是相对论的灵魂,没有这些内容,相对论就剩下了‘一切运动都是相对的’的干瘪哲学教条。”曹则贤说。
  他下决心要把相对论“写透”,因此用几年时间大量阅读相对论的德、法、意、英等外文原始文献。他梳理出相对论自身的历史发展路径,试图把相对论相关的事件、人物以及逻辑关系清楚地展现给读者。
  相对论的发展是一个长达300余年的思想过程,从开普勒、伽利略的思想发端,在爱因斯坦1915年奠立广义相对论的那一刻达到了顶峰。在曹则贤看来,相对论是纯粹理性思维的胜利,是物理现实的内在和谐与数学表达的形式美学之间完美的相互激励,是严谨的日耳曼文化与浪漫的拉丁文化的灿烂结晶。物理规律的变换不变性是相对论的核心思想。沿着朴素相对论、伽利略相对论,经由狭义相对论,抵达广义相对论,这一条绵密的思想河流上有激动人心的关于物理学创造的历史画卷。
  在《相对论——少年版》中,曹则贤用15章的内容,按照朴素相对论、伽利略相对论、狭义相对论、广义相对论和整体相对论的顺序,以相对性思想的历史演化为线索,详细介绍了相对论所包含的数学、物理和哲学内容。
  那些与相对论有关的德、法、意、英文原始文献,被他搬到了书中,他将非英文文献的标题译成了英文或中文,方便读者顺藤摸瓜,一步步接近相对论思想的核心,看到相对论创立过程中的那些细节。
  国际上有一种说法,一本书每增加一个公式,它的读者就会减少一半。但曹则贤并未因此减少本书的数学内容,相反,他在书中尽可能多地提供了学习相对论所需要的关键数学基础,尽可能多地列出了相对论的数学公式。
  这些内容让本书不仅可以作为少年读者了解相对论的科学读物,更可以为有志于研习相对论的学习者和研究者提供帮助。

3.少年般旺盛的热情

  这样一本相对论,少年能学会吗?曹则贤的回答是:“当然能!”事实上,本书中就有不少少年的故事。
  一个少年名叫泡利,出生于1900年,从维也纳多布林中学毕业时,他刚满18岁,就提交了题为“论引力场的能量分量”的论文,研究的就是广义相对论的课题。1918年秋,泡利进入德国慕尼黑大学,师从物理学家索末菲。索末菲认为泡利已经符合物理学家的标准,但慕尼黑大学有规定,学生入学六个学期后才能申请博士学位。在这六个学期里,索末菲干脆让泡利为他编纂的数学科学百科全书写作相对论的条目。
  1921年,泡利在第六个学期完成时,以关于氢分子的量子力学研究获得博士学位。两个月后,他的相对论综述文章刊行,洋洋洒洒237页,至今依然是相对论的经典文献。
  另一位少年的故事还要早100多年。出生于1713年的法国人克莱罗,13岁时就第一次向法国科学院递交了关于几何曲线研究的论文,16岁时提出曲线的描述需要“曲率”的概念,并以此申请法国科学院院士的资格,但当时未得到国王的立即认可。两年后,克莱罗发表了《关于双重曲率曲线的研究》一文,在文中公布了他对空间曲线的研究成果。这一年,18岁的克莱罗成为了法国科学院有史以来最年轻的院士。
  这些只是少数天赋异禀的少年的故事?曹则贤说:“不!这些少年确实更聪明,但我们更应看到的是,他们是如何被教育和培养的。我相信,中国少年中也有这样的天才,但我们给他们提供了像样的教育、让他们读到像样的书了吗?这是我们作为前辈应该去思考的。”
  曹则贤说,这本迟疑延宕了12年才写成的书,是为自家少年准备的入门读物,也注定是他自己要看一辈子的书。从这个角度说,本书虽名为少年版,但它实际上为所有想要真正了解相对论的人,敞开了怀抱。“所谓少年版,不过是希望读者总保有少年旺盛的热情罢了。”曹则贤如是说。

张文静