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科學城裏遇到的怪事(三)

"人類中的壹位大智者, 發現在壹個旋轉的舞臺上, 它的空間是彎曲的。"

在E城的第三天,她們早早來到了E城的第五區。

這個活動區有壹個特別醒目的巨大的圓形建築物,入口處懸掛著壹塊牌子,上面是這樣寫的:這是根據愛因斯坦理論設計的壹個建築物,占地面積約4公頃,建築主體是壹個半徑為100米的圓形旋轉大舞臺。支撐著整個舞臺是壹根粗大、堅實的剛性大軸,舞臺可相當於每秒38萬轉的勻速轉動所產生的效應,邊緣的線速度可達0.8C,這就構成了壹個彎曲的時-空區域。

看完介紹後,有工作人員前來,帶領她們進入到了這個龐大建築物的內部。妳擡眼望去,根本看不到舞臺的旋轉,與通常見到的大舞臺沒有什麽兩樣。

工作人員對她們說:“這個舞臺看上去是靜止的,與壹個為半徑為百米的大圓型舞臺是壹樣的。實際上,它是在平穩、高速地旋轉。這個舞臺上有超強大的力會把妳們沿徑向向外推,力的大小與妳所在的位置到舞臺中心的距離與角速度平方的乘積成正比,舞臺旋轉的角速度約是ω=2.4×10^6弧度/秒,因此這個沿徑向向外的拉力除了舞臺中心為零外,隨著離舞臺中心的距離增大而迅速增大,到舞臺的邊緣處將是壹個很大很大的力。

“由於舞臺上除中心以外的任何地方,都會受到這個力的作用,這就形成了壹個力矢量分布的圓形區域:如果舞臺中有壹物的質量是m,它就會受到壹個沿徑向向外的力,其大小為m*ω^2*r,而且,這個物體的質量也是變化的,隨著離開中心的距離增大而增大。

妳們壹進入舞臺,就會隨著舞臺壹起高速旋轉,因此相對於舞臺是靜止的。但因會受到壹個極大的慣性力的作用,給妳們每人發壹雙魔鞋,妳們穿上這雙鞋,就可以避免受到這種強大沿徑向向外的力,就像行走在壹個靜止的舞臺上壹樣。因此,妳們千萬不能在舞臺脫下魔鞋,沒有這雙鞋,妳們即刻就可能被拋到舞臺的周圍的壁上而撞得粉碎。”

接著又說:“我再發給妳們每人壹只外形和結構都壹樣的鐘,用以測量舞臺上不同的地點鐘的走時有什麽樣的變化;時間的變化測量後,妳們還要到舞臺中心去拿1米的量尺,讓妳們能在舞臺上觀察其長度在不同的地點的變化,並對舞臺周長進行測量,來了解舞臺空間的幾何性質。”

“妳們聽清楚了嗎?還有什麽問題沒有?”

伊如問:“如何才能比較不同地點的鐘走時的差異以及量尺在不同地點的長度變化呢?能否講得具體壹點。”

“這位同學問得好,剛才這個問題我講漏了。無論是時間測量或長度的測量,最終的結果是與舞臺中心的鐘與尺進行比較。舞臺的中心有壹架智能望遠鏡,可以清楚地看到百米以內的圖象,還能直接讀出鐘上顯示的時間,以及顯示量尺的長度。所以當妳們進行活動時,可以有人在舞臺邊緣或其他地方,而總是有人在舞臺中心,通過智能望遠鏡與舞臺中心的鐘和尺子進行觀測比較。

“好了,如果沒有什麽問題,妳們就可以穿上剛發給妳們的魔鞋,進入舞臺開展活動了。再叮囑妳們壹下,千萬不能在舞臺上脫鞋,否則後果不堪設想。”

她們三人換上鞋,小心翼翼地進入舞臺。

陳伊如先把舞臺中心的三只鐘校好,把壹只留在身邊,壹只給了小蕓,讓她拿到舞臺的邊緣;另壹只給了子葉,讓她站在她和小蕓的中間位置。

伊如看到身邊的鐘已經走了整壹個小時,她拿起多功能望遠鏡。看到了壹種奇怪的景象:小蕓的鐘只走了37分30秒;子葉的鐘顯示的是54分54秒。這表明在舞臺中心的鐘走得最快,沿徑向放置的鐘隨徑向的延伸會越走越慢,舞臺邊緣的鐘走得最慢。

小蕓用這只鐘與自己熟悉的心跳頻率比較,並沒有覺得這只鐘走慢,但與伊如的鐘比較,她的鐘確實是走慢了,她斷定,自己的心跳在這裏也跳得慢了。

她們三個又相互做了交換,用不同的時間間隔進行測量,而且不用望遠鏡進行觀察,直接把鐘擱置到舞臺邊緣壹段時間後,再拿回來與舞臺中心的鐘進行對比,都觀察到了同樣的現象:相比之下,舞臺中心的鐘走得最快,舞臺其他地方的鐘都走慢了,離舞臺中心越遠,鐘走得越慢,舞臺邊緣的鐘走得是最慢的。

壹上午在舞臺上跑來跑去,三人都累了。她們走出了舞臺,換上了自己的鞋,去了最近的壹個用餐點用了午飯。

餐後,她們很快又回來,穿上魔鞋,回到舞臺上,根據上午的安排,下午是測量舞臺周長。

開始時陳伊如仍然在舞臺的中心,小蕓與子葉到舞臺中心每人拿了壹根壹米長的剛性量尺,小蕓走到舞臺的邊緣,子葉在她們兩人之間的位置上。

她倆先把量尺沿圓盤的徑向放置,伊如用多功能望遠鏡觀察,顯示的讀數都是壹米,量尺並沒有出現什麽變化。然後,當她倆沿圓弧的切向(與徑向垂直)放置尺子時,奇怪的事情出現了:伊如發現小蕓的量尺約只有0.7米,而子葉的量尺約為0.92米,而且她們兩位的身體也都變窄了,像在壹區看到的騎車的年輕人那樣,小蕓比較子葉“窄”得還要厲害些。這就是說,沿切向放置的量尺會發生收縮,離開舞臺中心越遠處,收縮得越加厲害,而在中心處的量尺不發生收縮。

她倆又分別用尺子測量舞臺的半徑,她們從舞臺的中心徑直量到舞臺邊緣,正好量度了100次,證明舞臺的半徑沒有什麽變化,仍然是100米。小蕓和子葉用她們手裏的量尺來沿著舞臺的邊緣,她倆壹次接壹次地放置量尺,測量這個舞臺的周長。她們用原有的幾何知識知道,這裏量得的周長應當是約628米,但測量了幾次,結果出人意料,接近900米。她們馬上猜到,這就是因為到舞臺的邊緣量尺縮短而產生的結果。

伊如似乎聽爺爺說過,不旋轉舞臺的表面空間是平直的,符合歐幾裏得的幾何關系,而舞臺的高速旋轉,這裏的空間和時間都會發生變化,半徑與周長的幾何關系發生了異常,歐幾裏得的幾何學在這裏也就失效了。

舞臺上的測量完成以後,她們累得夠嗆,已是下午7點多鐘。她們回到了賓館。

? 到E城的第四天,她們來到E城的第六區,要參觀壹下關於愛因斯坦的生平展覽。

愛因斯坦的展館,進門有大量的圖片、信件和文字說明,是關於愛因斯坦的生平簡介,概要如下。

艾伯特·愛因斯坦(1879-1955)20世紀最偉大的自然科學家,可與牛頓並列為引導人類正確理解宇宙的兩位先哲,是到目前為止最偉大的兩位科學家。他開創了兩代科技的新紀元,1999年12月,被美國《時代周刊》評選為20世紀的“世紀偉人”。

愛因斯坦於1879年3月14日,生於德國巴登-符騰堡州烏爾姆城的壹個猶太家庭,父親很有數學天賦,但由於沒錢上學,不得不棄學經商。母親很有音樂才能,從小愛因斯坦跟母親學習拉小提琴,古典音樂成了愛因斯坦的終生愛好。

愛因斯坦從小不是壹個聰明的孩子,據說4歲時還不大會說話。中學時,除了數學成績優秀外,其他要記憶的課程如語文、歷史、地理成績都較差。1896年他考入蘇黎世瑞士聯邦工業大學師範系理論物理專業學習。在大學其間,他按照自己的興趣,刻苦地自學了課程以外的學科。1900年,他在韋伯指導下以熱傳導問題的畢業論文拿到了畢業證書。由於他習慣於獨立思考,學習方式不合時宜,沒有獲得助教的資格而留校。

畢業後,愛因斯坦找不到固定的工作,貧困和饑餓驅使他整天為生活奔波,壹直都未能治愈的肝炎也是在這個時候落下的。但是,貧窮並沒有動搖愛因斯坦研究科學的決心,他總是在思考著他感興趣的物理課題,構思他的學術論文。

後來,他在大學同窗好友的幫助下,在伯爾尼專利局謀到了壹份技術員的固定工作。從1902到1909年,他在瑞士專利局工作了7年。

1905年起,愛因斯坦開始在有聲望的月刊《物理學年鑒》上發表理論物理的論文,其中包括關於狹義相對論的論文,題為《論動體的電動力學》。該理論闡述了在接近光速的運動狀態下會出現壹些令人費解的現象,如體積減小、時間變慢、質量變大,為當時人們還無法解釋的某些現象提供了清晰、合理的解釋。

1911年,愛因斯坦在布拉格任大學教授,1912年任蘇黎世大學教授,之後在柏林工作,任愷撒·威廉物理研究所所長(1914--1933),壹直到他離開歐洲。

1916年愛因斯坦發表《廣義相對論基礎》,解釋了牛頓萬有引力未能解釋的水星橢圓形軌道的慢速旋轉進動。1919年他提出的光線經過太陽引力場會發生彎曲的預言被倫敦皇家協會攝下的日食照片所證實。1921年愛因斯坦因其在光電效應(引入光量子、光子思想)方面的工作獲得諾貝爾物理獎。

1922年,愛因斯坦到中國訪問,同情和支持中國人民為爭取民族獨立和解放進行的鬥爭。“九壹八”事變後,他壹再向世界呼籲,用聯合經濟抑制的辦法制止日本對華的軍事侵略。1936年,沈鈞儒、章乃器、鄒韜奮、史良等“七君子”因主張抗日被捕,他熱情參與了營救和聲援。

在柏林其間,愛因斯坦因某些言論以及猶太的背景受到懷疑。希特勒掌權後,愛因斯坦離開德國。從1934年起在新澤西州的普林斯頓大學執教,後入美國籍,1940年任該校教授。

愛因斯坦還是壹位傑出的自由主義者,壹位呼籲和平的偉大老人。當德國化學家對鈾原子裂變可能引起強烈爆炸的研究引起了他的註意,他在普林斯頓進行了壹系列實驗以證實這種可能性。經別人建議,他於1939年9月致函羅斯福,請總統提防德國可能制造原子彈。直接促成了“曼哈頓計劃”的啟動。二戰後他積極倡導和平,反對使用核武器。並簽署了《羅素-愛因斯坦宣言》。

1952年魏茨曼逝世後,以色列邀請愛因斯坦擔任總統,被他婉言謝絕。晚年的愛因斯坦企圖通過統壹場理論(1950)將量子理論與廣義相對論合並,以使亞原子現象以及大範圍的物理現象合並到壹種理論中,即進行了所謂統壹場的理論研究。他的努力並未獲得成功。從他壹生的研究來看,他總是孤身壹人在物理學的最前沿拼搏,他永遠只做最難做的開創性工作。

1955年4月18日,在普林斯頓醫院,愛因斯坦在睡眠中與世長辭。享年76歲。德國科學家普朗克把愛因斯坦譽為20世紀的哥白尼。法國物理學家朗之萬評論說:“在我們這壹時代的物理學家中,愛因斯坦將位於最前列。他現在是,將來也還是人類宇宙中有頭等光輝的壹顆巨星。很難說,他究竟同牛頓壹樣偉大,還是比牛頓更偉大;不過,可以肯定地說,他的偉大是可以與牛頓相比擬的。按照我的見解,他也許比牛頓更偉大,因為他對於科學的貢獻,更加深刻地進入了人類思想基本概念的結構中。”

愛因斯坦生前立下遺囑,不發訃告,不舉行葬禮,不建墳墓,不立紀念碑,把骨灰撒在不為人知的地方。當他的遺體火化時,除了最親近的幾個隨行者外,其他人都不知道。在火葬儀式上,他的遺囑執行人,向他獻上了德國著名詩人歌德為悼念亡友席勒而寫的壹首詩:

“我們都受益匪淺,

全世界都感謝他的教誨;

那屬於他個人的東西,

早已傳遍廣大人群,

他像行將隕滅的彗星,光華四射,

把無限的光芒同他的光芒永相結合。”

展館內還有許多展廳,有介紹愛因斯坦中學時代生活的,有介紹他在瑞士伯爾尼專利局工作和學習情況的,有介紹狹義相對論的,有介紹廣義相對論的,有介紹他在普林斯頓工作情況的,等等,由於時間不早了,陳伊如等三人,就分別對自己最感興趣的部分進行參觀瀏覽,並做了簡要的記錄。

直至晚上7點半,她們才回到賓館。

晚餐後,回到房間,她們仨就自己影響最深的那些圖片、資料,並根據參觀的記錄,分別進行了整理,寫出短文,作了交流。

劉子葉對愛因斯坦與他的同學格羅斯曼之間的友誼很有感觸。

她寫下了以下的文字。

愛因斯坦進入聯邦工業大學後,用大量的時間熱衷於閱讀和研究先賢們的科學和哲學著作,而對大部分課程毫無熱情,因此經常逃課。他對考試也十分反感,因為考試要強迫學生把許多死記硬背的東西塞進腦子裏。

愛因斯坦為了應付考試過關,他就借用格羅斯曼的課堂筆記,臨陣磨槍,通過了考試。

大學畢業後,失業了。他父親患病,生意又遭挫折,無力繼續供養他。21歲的愛因斯坦必須自謀出路,他四處奔波,到處碰壁,找不到壹個固定工作。他只好做壹些臨時工,幫人做些計算,當家庭教師,來勉強度日。愛因斯坦的這段貧困日子,他的壹位同學這樣描述:“可鄰的愛因斯坦啊,只差拿著小提琴,去挨家挨戶地演奏乞討了。”

就在愛因斯坦走投無路的時候,格羅斯曼鄭重地向他的父親談起愛因斯坦的窘迫處境。為此,他父親大力地向他的朋友——瑞士聯邦專利局局長哈勒推薦愛因斯坦。哈勒同意先給他安排壹個臨時的工作,考察壹段時間。到1902年6月,愛因斯坦被正式聘為專利局的三級技術員。從此,才結束了他兩年多的失業窮困境遇。

1936年,愛因斯坦在寫給格羅斯曼夫人的信中,念念不忘這段情誼,信中寫道:我回憶我的學生時代,他(即格羅斯曼)是壹個無可指責學生;我卻是壹個離經叛道和好夢想的人。他同老師的關系搞得很好,而且能諒解壹切;而我卻是壹個流浪漢,也不討人喜歡,但是我們卻是好朋友。

我們每兩三個星期就要到咖啡店去,壹邊喝冰咖啡,壹邊聊天,這是我最愉快的回憶。後來,我們的學業結束了——我突然被人拋棄,他支援了我,感謝他和他的父親的幫助,使我在專利局找到了壹個職位。這對我是壹種拯救,要不然,即使未必死去,我的智力也會被摧毀。

愛因斯坦有壹段時期對自然科學的興趣超過了數學,數學與他疏遠了。他還認為,數學有許多專門的領域,每壹個領域都可以耗費壹個人的短暫壹生,因此他怕“掉進”這個領域而耽誤了物理學。

然而,在物理學中,通向更深層次的物質世界理論是與更深奧的數學形式密切聯系在壹起的。就在他創立廣義相對論時,才徹底明白了這壹點,而且感到自己在數學上遇到了障礙。

為了能找到合適的數學理論來滿足廣義相對論的數學表述,愛因斯坦帶著這樣的問題,於1912年又去找他的老同學格羅斯曼。那時,格羅斯曼已是蘇黎世工業大學的數學教授。愛因斯坦的問題立即引起這位老同學的強烈興趣。

正是在格羅斯曼的幫助下,找到了合適的數學工具。這就是半個多世紀前由德國數學家高斯(1777-1855)和黎曼(1826-1866)建立的曲面幾何學,以及後來的裏奇(1853-1925)和他的學生勒維-契維塔(1873-1941)發展起來的張量分析。

格羅斯曼為愛因斯坦找到了合適的數學理論。他們兩人在1913年合作完成了《廣義相對論和引力理論綱要》的論文,其中數學的部分就是由格羅斯曼執筆完成的。

從這裏我們可以看到,愛因斯坦大學時代時的壹位同窗好友的幫助,對他的壹生產生多麽大的影響。愛因斯坦如果得不到這份援助,他的成功就可能會出現障礙,這對人類文明的進程都可能會帶來損失。

何小蕓對愛因斯坦強烈的好奇性、驚奇感和主動自學精神印象至深。

她寫的短文如下。

愛因斯坦5歲那年,父親給了他壹只羅盤。

他反復擺弄,仔細揣摸,他發現,無論怎麽擺動,羅盤上那指針總是指向北邊,這使他很是驚訝,激發了他探索事物根底的好奇心。他猜想,肯定有什麽東西隱藏在這種現象的背後,這件事在他的心裏留下了深刻的印象,以至他60多年後談到此事時,還能清晰地回憶起當時的情景。

在12歲那年,愛因斯坦得到了壹本關於歐幾裏得平面幾何的小書,他為書裏許多論斷的可靠性和清晰的論證而喟嘆不已。例如三角形的三條高相交於壹點,這不是顯而易見的事情,但可以嚴格地加以證明,使人沒有絲毫懷疑的余地。這本幾何學的小書給予他很大的影響,以至於後來建立的理論中,其結構和表述方式都能看到這本書的影子。

1953年3月14日,在愛因斯坦74歲生日宴會上,有人問愛因斯坦:“據說妳在5歲時由於指南針,12歲時由於歐幾裏得幾何學受到了決定性的影響,這些東西對妳壹生的工作果真有過影響嗎?”

愛因斯坦回答說:“我自己是這麽想的,我相信這些外界的影響對我的發展確實是有重大影響的。”他這樣評價好奇性和驚奇感的作用:“我們所能有的最美好的經驗是奧秘的經驗。它是堅守在真正藝術和真正科學發源地上的基本感情。誰要是體驗不到它,誰要是不再有好奇性也不再有驚訝的感覺,他就無疑於是行屍走肉,他的眼睛是迷糊不清的。”愛因斯坦正是由於強烈的好奇性和驚訝感,才把別人看來不是問題(時間、空間、引力、質量等)當作值得研究的大問題,而取得了重大成就。

有了強烈的好奇性使他發現了問題,然而,要解決這些問題,還要具備雄厚的知識基礎。愛因斯坦靠自己頑強的自學精神,為自己打下了堅實的基礎。

縱觀愛因斯坦的自學生涯,有三個重要的時期:第壹個時期是10歲到15歲時,他在別人的指導下,自覺學習了壹些科學和哲學著作,尤其是12歲時,學習了歐幾裏得平面幾何,他像著了迷壹樣思考著這些幾何定理的證明方法;第二是在他大學的四年裏,他刻苦攻讀了麥克斯韋理論和馬赫的《力學》;第三個時期是在伯爾尼專利局當技術員的前三年,他與兩位好友壹起學習和討論多位大師們的著作。

1955年3月,愛因斯坦在為紀念他的母校成立壹百周年而寫的回憶錄中談到了他當時的自學生活:“……安排自己去學習那些適合於我的求知欲和興趣的東西。我以極大的興趣去聽某些課,但是我‘刷掉了’許多課程,而以極大的熱情在家裏向理論物理學的大師們學習”“我大部分時間是在物理實驗室裏工作,迷戀於與經驗的直接接觸。其余時間,則主要用於在家裏閱讀基爾霍夫、亥姆霍茲、赫茲等人的著作。”

在伯爾尼專利局工作的前幾年裏,他與兩位好友組成了所謂的“奧林比亞科學院”——實際上是三人自學小組。他們學習熱情很高,壹起研讀和討論馬赫、穆勒、休謨、斯賓諾莎、亥姆霍茲、黎曼、戴德金等哲學、物理學、數學的著作。尤其是彭加勒的《科學與假設》,對他的印象極深,他們用好幾個星期緊張地閱讀、討論這本書。

他們的討論往往十分激烈,有時壹頁半頁的文字,甚至壹句話,也會引起長時間的激烈爭論,有些比較重要的問題,爭論可達數日之久。

到1904年、1905年,這兩位好友分別離開了伯爾尼,這樣的學習討論也就停止了。但是,這段時期緊張的學習、熱烈的討論、不斷地切磋,使得愛因斯坦許多論文的構思日趨成熟。在這壹段黃金歲月裏,對愛因斯坦創立狹義相對論,乃至對他的壹生都產生了重要的影響。

正是這種刻苦自學的精神,壹方面獲得了較系統的物理學和哲學知識;另壹方面也養成了他獨立思考的習慣,為他取得成就做好了準備。

陳伊如對於愛因斯坦如何看待大自然感受深刻。

她是寫下了對愛因斯坦幾段言論的理解。

愛因斯坦說,大自然是“在我們之外有壹個巨大的世界,它離開我們人類而獨立存在,它在我們面前就像壹個偉大而永恒的謎,然而至少部分地是我們的觀察和思維所能及的。”愛因斯坦告訴我們,大自然對於人類來說,是壹種不依賴人類的獨立存在。它包含著無數個未知的東西,像是壹個偉大而永恒的謎。然而,人類通過觀察和思考能了解、探索這個存在中蘊藏的各種謎,而且至少可以部分地揭開這些謎底。

愛因斯坦把這種存在,看作他心中的上帝,以壹種崇敬、虔誠的心態來仰視他心中的上帝。這是因為他認為自然界顯示出壹種不可思議的秩序、和諧、對稱、統壹,顯示出了壹種大美,顯示了他心中的上帝構建這個世界的超高的理性。他說:“世界富於秩序與和諧,我們只能以卑謙的方式不完全地把握其邏輯的質樸性的美。”他壹生的工作就是想知道這個上帝對世界的構思,他常說:“我想知道上帝是如何創造這個世界的。我所感興趣的,不是這種現象或那種現象。我想要知道上帝的心思,其他都屬於細枝末節。”

愛因斯坦認識到這種美,是從自己的觀察中,在探索自然界的統壹性中,獲得這種美感的,他陶醉於大自然的感性美;他還驚奇於潛藏在大自然深處的理性美。

愛因斯坦說:“這個世界最不可理解的是它可以理解。”這是說,這個世界是可以理解的,但為什麽可以理解呢?這卻是不可理解的。

通過這次參觀,我是這樣來理解這句話的。

這個世界至所以可以理解,就是因為這個世界有序、和諧,即存在壹種內在的美,呈現的現象有因果的聯系,有合理的邏輯關系,這就成為我們認識這個世界的基礎,使我們能夠去理解這個世界。反之,如果這個世界壹片混亂,不合情理,毫無章法,沒有因果、邏輯的聯系,那我們就無法理解。

那麽,為什麽大自然會有這種美呢?這卻是很難理解的事情,這也許就是這個世界最不可理解的地方。

“上帝是狡猾的,但他沒有惡意。”這也是在告訴我們,因為上帝沒有惡意,物質世界是可以理解的,而現今在人類面前的許多問題還沒有找到答案,因為上帝是狡猾的。

按計劃她們在E城四天的活動就結束了,接下來的旅程是先到市區的龍門、大觀樓等地玩壹天,再到石林玩壹天,最後去九鄉。

她們預計的這壹周的活動很快就結束了。

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