郭汉英杂文选集

《郭汉英杂文选集》由郭汉英选集编委会选编，他的选集大体分为两卷，分成论文选集与科普杂文选集；后者也即本书的内容非常丰富。具体来说，《郭汉英杂文选集》科普的部分深入浅出，用平易近人的语言，将精深的科研成果转化为大众易接受、易读懂的形式。汉英写科普文章，很注意科学方法论的运用，而在大方向上，又不落前人窠臼，勇于提出原创的新观点，不盲从各种“权威”。尤为可贵的是，他还非常关心青少年的成长，这本书里面就有一篇他投给《中学生数理化》杂志的短文，为青少年们介绍了爱因斯坦成功的关键启示。相信以中科院理论物理研究所资深研究员的身份，在这个杂志上发表文章的人，应该是不多见的。而本书的杂文部分，更是全面反映了汉英的哲学修养与他常年的深邃思考。从对哲学规律的探讨，到对社会现象的反思，汉英独特而鲜明的个性跃然纸上。这些讨论并非形而上的理论，而是密切地与客观实际联系起来，读之令人手不释卷。

第一部分 科普文章
物理学的空间、时间和宇宙理论
物理学不是一个完成的逻辑体系――从温伯格的一段话谈起
狭义相对论的基本原理及其宇宙学意义――相对论百年札记
广义相对论和引力理论的变革――相对论百年札记之二
爱因斯坦成功的启示
德西特不变的相对论及其宇宙学意义
“舟行不觉”和暗宇宙――惯性运动、相对性原理及其宇宙起源
从2006年诺贝尔物理学奖谈起
质能公式与科学观
探索我们的宇宙 发展相对性原理――国际天文年暨爱因斯坦诞辰130周年纪
第三陈类、“量子逻辑”与新文化
华罗庚与爱因斯坦相对论及其扩展――纪念华罗庚诞辰一百周年
第二部分 杂文
相对论物理的进展及其意义
什么是辩证法的实质与基本规律――关于列宁的对立统一规律(一)
几个典型例证和中介的作用――关于列宁的对立统一规律(二)
关于矛盾的斗争性和统一性――关于列宁的对立统一规律(三)
什么是辩证的发展观――关于列宁的对立统一规律(四)
品于丹天地人之道
从恩格斯检验催眠术谈起
从两小儿辩日谈起
学术思想、学术争论和物理学的发展
忆郭老二三事
赠友人？贺沐霖教授七十大寿，庚寅年正月
第三部分 录音资料整理
访问中国科学院理论物理所副所长郭汉英教授
郭汉英先生之中山大学报告？录音整理

    物理学的空间、时间和宇宙理论
     郭汉英 中国科学院理论物理研究所 北京 100080
     空间、时间和宇宙是物理学和天文学的基本概念，与数学和哲学也有密切关系。在力学和物理学中，这些概念是从对物体及其运动和相互作用的测量和描述中抽象出来的；涉及它们的广延性和持续性。空间和时间的性质，主要通过与物体运动及其相互作用的各种关系，以及有关的观测和测量表现出来。
     近几个世纪以来，力学、物理学和天文学对空间、时间和宇宙的认识大体上可分为相互交织的两条线索：从以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为代表的空间一时间和宇宙概念，经过狭义和广义相对论，发展到现代宇宙论，这是一条线索。同时，从经典力学经过量子论、量子力学和量子场论，到探索量子引力、超弦和M理论，是另外一条线索。
     目前，物理学对于空间、时间和宇宙的认识，还存在着一些重大问题有待解决，还在不断地发展。
     牛顿绝对空间和绝对时间及其疑难
     通常，确定物体的大小，要知道其形状和尺寸，例如长方体，知道其长、宽、高，利用欧氏几何的公式就可计算出其体积。为了确定物体的位置，要知道它相对于另一静止参照物的上下、左右和前后距离，同样利用欧氏几何就够了。描述运动的物体，瞬间位置还不够，还需要知道瞬间的速度和加速度。由此，可抽象出三维空间坐标和一维时间坐标的概念。物体的运动性质和规律，与采用怎样的空间坐标系和时间坐标来度量它有着密切的关系。惯性定律成立的坐标系，称为惯性系。为了进一步确定惯性运动和惯性系，牛顿抽象出三维绝对空间和一维绝对时间的观念。绝对空间满足欧氏几何，绝对时间均匀流逝，其本性与任何具体物体及其运动无关。相对于绝对空间静止或匀速直线运动的物体为参照物的坐标系，才是惯性系。
     惯性和惯性运动观念的确立，在力学的发展中起着重要的作用。在牛顿力学中，物体对于不同的惯性坐标系的空间坐标和时间坐标之间满足伽利略变换。在这组变换下，位置、速度是相对的；空间长度、时间间隔、运动物体的加速度是绝对的或不变的。同时性也是不变的：相对于某一个惯性参照系的两个事件是否同时发生是不变的。相对于某一个惯性参照系同时发生的两个事件，相对于其他惯性参照系也必定是同时的，称为同时性的绝对性。牛顿力学的所有规律，包括万有引力定律，在伽利略变换下形式不变。这就是伽利略相对性原理：力学规律在惯性参照系的变换下形式不变。同时，不变性与守恒律密切相关。运动物体在伽利略变换的时间平移不变性，对应于该物体的能量守恒；伽利略变换的空间平移和空间转动不变性，对应于该物体的动量守恒和角动量守恒。
     牛顿力学定律及其在伽利略变换下的不变性，促成对牛顿的绝对空间概念的怀疑。如果存在绝对空间，物体相对于绝对空间的运动就应当是可以测量的。这相当于要求某些力学运动定律中应含有绝对速度。但是，牛顿力学规律并不含绝对速度。换言之，牛顿力学定律的正确性，并不要求一定存在绝对空间。对于牛顿的绝对空间概念，先后有人提出异议。事实上，没有有力的证据表明存在绝对空间。然而，随着牛顿力学和万有引力定律的成功，绝对空间和绝对时间的概念也一直在自然科学界和哲学界中占据主导地位。
     但是，在牛顿体系中无法建立简单的宇宙图像。任何简单的宇宙，在万有引力的作用下是不稳定的，这称为希里格佯谬；而且连为什么夜间天空是黑暗的这样简单的问题，都无法回答，这称为奥尔伯斯佯谬。
     19世纪麦克斯韦总结出电磁学的基本规律――麦克斯韦方程。这组方程中出现了光速c，随后又发现了电磁波。受牛顿绝对空间和绝对时间观念支配的物理学界，自然认为在绝对空间中充满着光以太，麦克斯韦方程仅在相对于绝对空间静止的惯性参考系中成立，电磁波是光以太的波动。于是，在地球这个相对于绝对空间运动的系统中，麦克斯韦方程仅近似成立。电磁学或光学实验应该能够测量出地球相对于光以太的漂移速度。但是，当时所有这类实验都得到否定的结果。这表明，忽略地球的非惯性运动，麦克斯韦方程仍成立，并不存在“以太漂移。”这样，牛顿的绝对空间和光以太观念都受到了挑战。
     相对论体系的空间、时间和宇宙观念与问题
     1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，扩展了伽利略相对性原理，不仅要求力学规律在不同惯性参照系中具有同样形式，而且要求其他物理规律在不同惯性参照系中也具有同样的形式。爱因斯坦还假定在不同惯性参考系中单程光速c是不变的。据此，不同惯性系的空间坐标和时间坐标之间不再遵从伽利略变换，而是遵从非齐次洛伦兹变换。根据这类变换，尺的长度和时间间隔(即钟的快慢)都不是不变的；高速运动的尺和钟相对于静止的尺和钟分别变短、变慢。同时性也不再是不变的(或绝对的)，对某一个惯性参照系同时发生的两个事件，对另一高速运动的惯性参照系就不是同时发生的。在狭义相对论中，光速是不变量，因而空间一时间间隔(简称空时间隔)也是不变量；一些惯性之间，除了对应于时间平移和空间平移不变性的能量守恒和动量守恒之外，还存在空间一时问平移不变性。因而，存在能量一动量守恒律。根据这一守恒律，可导出爱因斯坦质量一能量关系式，这一关系在原子物理与核物理中极为基本。
     狭义相对论否定了光以太的存在，电磁波是电磁场自身的波动，于是场成为与实物有所不同的物质形式。同时，也否定了牛顿的绝对空间和绝对时间，并通过光速不变原理把一维时间和三维空间联系起来，成为相互联系的四维空间一时问。闵可夫斯基首先发现了这一性质，因而称为闵氏空时。四维闵氏空时的几何是度规具有符号差的欧氏几何，其不变群就是彭加勒群。
     狭义相对性原理要求所有的物理规律对于惯性参考系具有相同的形式。然而，把引力定律纳入这一要求并不符合观测事实。爱因斯坦进而提出描述引力作用的广义相对论，再一次变革了物理学的空间一时间观念。
     按照广义相对论，如果考虑到物体之间的惯性力或引力相互作用，就不存在大范围的惯性参照系，只在任意空时点存在局部惯性系；不同空时点的局部惯性系之间，通过惯性力或引力相互联系。其实，存在惯性力的空时仍然是平直的四维闵氏空时。存在引力场的空时是四维弯曲空时；其几何性质由度规具有符号差的四维黎曼几何描述。空时的弯曲程度由在其中物质(物体或场)及其运动的能量一动量张量，通过引力场方程来确定。在广义相对论中，空间一时间不再仅仅是物体或场运动的“舞台”，弯曲空间一时间本身就是引力场。表征引力的空间一时间的性质与在其中运动的物体和场的性质是密切相关的。一方面，物体和场运动的能量一动量作为引力场的源，通过场方程确定引力场的强度，即空时的弯曲程度；另一方面，弯曲空时的几何性质也决定在其中运动的物体和场的运动性质。例如，太阳作为引力场的源，其质量使得太阳所在的空时发生弯曲，其弯曲程度表征太阳引力场的强度。最邻近太阳的水星的运动轨迹受的影响优选；经过太阳边缘的星光也会发生偏转，等等。广义相对论提出不久，天文观测就表明，广义相对论的理论计算与观测结果是一致的。
     然而，20世纪中后期的研究表明，在物理上可以实现的条件下，广义相对论的空间一时间必定存在难以接受的奇异性。在奇点处空间一时间亦即引力场接近失去意义；这是广义相对论在理论上存在问题的表现。
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