——读《改变世界的方程：牛顿、爱因斯坦和相对论》一书有感

09年的第一本书该读什么？看着自己书橱里一堆待读的书籍，让我犹豫了好一阵子。想起自己的专业，想起物理专业委员会为物理教师筹划的系列专题讲座——宇宙和物理前沿，决定从《改变世界的方程：牛顿、爱因斯坦和相对论》开始。在听取别人的讲座之前多了解一点背景知识，听起来会更有味道。

《改变世界的方程：牛顿、爱因斯坦和相对论》的作者哈拉尔德·弗里奇，是著名的理论物理学家，现任慕尼黑大学久享盛誉的索末菲教授职位。他与盖尔曼合作多年，共同为量子色动力学——描述强相互作用的理论——做出了意义深远的奠基性工作。他在大统一理论、味相互作用理论等许多领域都具有原创性的重要贡献。他的科普畅销书被译成多种文字。

《改变世界的方程：牛顿、爱因斯坦和相对论》是一本妙趣横生的书籍。弗里奇采用伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书里用过的办法：用三位学者对话的方式来叙述相对论建立时极其艰难的概念上的转换和改变。最妙的是，作者借用“梦境”，让一个虚拟的人物——伯尼尔大学的理论物理学教授哈勒尔和30岁的爱因斯坦、40岁的牛顿直接进行对话，带着读者逐渐了解时空结构概念的改变，能量和质量之间的关系……看完全书以后，不得不赞叹作者的手法“实在是高”！

通过三人之间生动活泼的对话，读者可以切身领会相对论的时空观，比如光速不变性原理、时间延缓和空间收缩。而质能关系的出现则加深了我们对物质世界的理解：核裂变、核聚变、粒子与反粒子的产生和湮没等等不可思议的现象都是物质和能量之间相互转化的例证，著名的质能方程E=mc²在人们认识自然界的物质结构和性质之中扮演了核心的角色。

在人们的生活中、在牛顿的经典力学体系中很多“常识”性的知识，到了相对论就会出现看上去相悖的结论，这也是读者最容易弄糊涂的地方。让牛顿和爱因斯坦进行对话，你说牛顿能不“敏感”吗？现在有了牛顿这位“代言人”代替读者提出疑问，读者应该放心和会心地微笑了！问题提出来了以后，爱因斯坦（或者是书中的第三位人物、当代物理学教授哈勒尔）就会仔细地给牛顿（其实是向读者）作出解释。这样丝丝入扣、探骊得珠似的整理概念上的漏洞或者错误，就比较容易让读者理解。而且，弗里奇教授由于担心读者没有经验而实际上对许多问题并没有深入理解，所以他经常主动设下疑问，让牛顿很有风趣地提出来。这样不仅增加读者的趣味，而且也增加读者对相对论深刻地理解。

读这本书，让我感受比较深的有以下几点：

1．直觉的力量

牛顿对人类贡献最大的时期，是1665年从剑桥返回家乡躲避鼠疫那段时间。在一年半的时间里，他不仅发展了微分学和积分学的基本思想，也发展了经典力学的基本思想，还系统地阐述了万有引力定律。一直到今天，他的经典力学体系在描述低速运动物体时，仍是最为基础的规律。

在自然科学史上，在如此短暂的时间内产生如此丰富思想的其他范例只有一例，那就是爱因斯坦。在1904～1905年期间，爱因斯坦发表了5篇划时代的论文，每一篇都可以获得诺贝尔奖。其中关于空间和时间相对性的基本思想，乃是牛顿思想的重要延续，爱因斯坦也成为现代量子理论的奠基者之一。

为什么他们能在短暂的时间内获得如此的成就？读一读塞格雷对牛顿的评价，或许可以明白其中的奥妙。“他那特有的天赋乃是这样一种才能，即在他的脑海中总是不停地抓住一个纯粹的智力问题，直到他看透它为止。我想，他的杰出就在于他那与生俱来最强大的、最持久的直觉的力量。任何一个尝试过纯科学或哲学思辨的人都知道，如何才能在你的脑海里瞬时抓住一个问题并运用你的全部注意力去洞察它，而它却如何会在你的关注范围内消失或者逃逸，让你觉得脑海一片空白。我相信，牛顿能够在他的脑海里抓住一个问题几小时、几天、几星期不放，直到弄清楚它的秘密。”

2．相对论并不神秘

在牛顿的经典力学体系中，时间和空间是互不干涉的两个独立的性质，时间均匀的流逝，空间不以物体是否存在为标志，时间和空间都是绝对的。到了相对论这里，时间和空间成为不可分割的一个整体，叫做时空，时间和空间不再是绝对的，而是随着物体的运动变化着的，时空中一个基本不变的物理量是光速！

实际上，学过一些基本物理知识的人们，都会建立时空之间的联系。比如说我们绘制一个物体的速度～时间图象，物体在一条直线上匀速运动，在图象中表达出来的是一条倾斜的直线。直线上的每一个点代表的就是一个“事件”，直线本身表示物体经过的一连串“事件”，它包含了一个物体在过去、现在以及将来的运动的所有信息。

长度单位“米”的定义也是相对论的一个直接应用。依据光速的不变性，将真空中光速数值的倒数来定义米：米是光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所经路程的长度。这样的定义方式不依赖于任何物质材料，所以不论在哪里都不会出现额外的误差、造成长度测量的不确定。

μ子在1937年被发现。它的寿命只有1.5微秒。在1976年，CERN做了一个实验，通过粒子的对撞而产生出来的μ子被立即加速，速度达到光速的99.94%。在这种情况下测量μ子的寿命，长达44微秒，大约是它静止寿命的30倍左右。与利用爱因斯坦的时间延缓公式计算出来的结果高度吻合，这充分说明了相对论的正确性。事实上，今天遍布世界各个地方的加速器，在建造的时候，需要依据的一个重要原理就是相对论。相对论已经发展成为一门工程科学。

3．改变世界的方程

《改变世界的方程》一书围绕着爱因斯坦著名的方程E=mc²展开，这是关于爱因斯坦质能方程诸多方面的一个新颖的概述，其主旨犹如一条红线贯穿于现代物理学。

E=mc²与经典力学的能量公式有什么样的关系？下面的一段推演能够让我们看明白：          

上式中，约等号在物体的速度v远小于光速c的时候成立，m₀是物体的静止质量，m是物体的运动质量。可见爱因斯坦的质能方程是一个普适性的方程，是对牛顿力学的进一步推广。

这个方程给我们的启示是什么？物体的质量和能量之间可以发生相互的转化。人们首先关注的是质量转变成能量的变化。 1945年7月16日凌晨5点30分，在美国新墨西哥州荒野进行了人类第一次原子弹试爆的试验，试爆成功以后，那地平线上突然出现的“比一千个太阳还亮的”可怕的蘑菇云，让奥本海默说了一段也许道出了在场所有科学家恐惧心情的话：“我们知道世界不会再是原样的了。少数人笑了，也有少数人哭了。大多数人则沉默不语。我记起了《摩呵婆罗多》中的印度经文：毗湿奴正在说服王子，他应该尽自己的责任，而且为了给他深刻印象，他摆出多臂的姿态说：‘现在，我已经变成了死神，大千世界的毁灭者。’我想，我们当时都是这样想的，虽然形式不一样。” 1945年8月，日本上空爆炸了两颗原子弹，世界从此发生了巨大的变化。

这样的变化只是部分质量向能量的转化。如果全部的核物质的质量都在瞬间转变成能量，那将带来怎样的变化？现在这样的实验已经在大型粒子对撞机中得到证实：一个正负电子对相互碰撞，最后物质消失了，产生了一对光子。其他比电子更重的粒子的对撞，也发生了类似的情况，这些问题我们都能够掌控吗？在对撞的过程中，还发现了大量以前从未出现的新的粒子，充实了我们对物质世界的认识，也给我们带来了更多的困惑。

刚才讲到，第一颗原子弹爆炸之后，世界进入了一个新的时代。军事冲突不再是拥有核武器的国家解决冲突或分歧的实际手段。至少从1945年至今，没有再出现过全球性的战争，没有再使用过原子弹。拥有核武器的国家代之以相互监督，保持这一种非稳定的平衡。但是我们依然不乐观，因为我们要区别才智和理智。

从能量向质量的转化也在探索之中，并且形成了共识。宇宙的诞生不就是“无中生有”的一个很典型的事例吗？这里面还有很多的问题值得我们去探索，比如说反物质是否存在，它是我们今天稳定宇宙的极大威胁。从另一个角度看，自然界有一条严格的规则：无论什么，它能够产生也就能衰变，生与死是密切相关的。我们的宇宙，如果真的来源于一次“无中生有”的大爆炸，那么它最终也必将走向物质再次转化为能量的路途。在遥远的将来，我们的宇宙可能又会变成无数光子的海洋，没有星星，没有星系。当然，走向这一步还很遥远，但很多科学家已经为此进行了大量的研究。

质能方程对世界的改变远远不只是这里所表述的这些，还有更加深刻的改变，它需要人们逐渐地认识和发掘。

《改变世界的方程：牛顿、爱因斯坦和相对论》[德]哈拉尔德·弗里奇/著   邢志忠 江向东 黄艳华/译  上海科技教育出版社  2005.7