Thursday, May 24, 2012

Re: 相对性原理应该继续贯彻下去!

General covariance

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In theoretical physicsgeneral covariance (also known as diffeomorphism covariance or general invariance) is the invariance of the form of physical laws under arbitrary differentiable coordinate transformations. The essential idea is that coordinates do not exist a priori in nature, but are only artifices used in describing nature, and hence should play no role in the formulation of fundamental physical laws.

A physical law expressed in a generally covariant fashion takes the same mathematical form in all coordinate systems,[1] and is usually expressed in terms of tensor fields. The classical (non-quantum) theory of electrodynamics is one theory that has such a formulation.

Albert Einstein proposed this principle for his special theory of relativity; however, that theory was limited to space-time coordinate systems related to each other by uniform relative motions only, the so-called "inertial frames." Einstein recognized that the general principle of relativity should also apply to accelerated relative motions, and he used the newly developed tool of tensor calculus to extend the special theory's global Lorentz covariance (applying only to inertial frames) to the more general local Lorentz covariance (which applies to all frames), eventually producing his general theory of relativity. The local reduction of the general metric tensor to the Minkowski metriccorresponds to free-falling (geodesic) motion, in this theory, thus encompassing the phenomenon ofgravitation.

Much of the work on classical unified field theories consisted of attempts to further extend the general theory of relativity to interpret additional physical phenomena, particularly electromagnetism, within the framework of general covariance, and more specifically as purely geometric objects in the space-time continuum.

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[edit]Remarks

The relationship between general covariance and general relativity may be summarized by quoting a standard textbook:[2]

Mathematics was not sufficiently refined in 1917 to cleave apart the demands for "no prior geometry" and for a geometric, coordinate-independent formulation of physics.Einstein described both demands by a single phrase, "general covariance." The "no prior geometry" demand actually fathered general relativity, but by doing so anonymously, disguised as "general covariance", it also fathered half a century of confusion.

A more modern interpretation of the physical content of the original principle of general covariance is that the Lie group GL4(R) is a fundamental "external" symmetry of the world. Other symmetries, including "internal" symmetries based on compact groups, now play a major role in fundamental physical theories.

[edit]See also

[edit]Notes

  1. ^ More precisely, only coordinate systems related through sufficiently differentiable transformations are considered.
  2. ^ Charles W. MisnerKip S. Thorne, and John Archibald Wheeler (1973). Gravitation. Freeman. p. 431. ISBN 0-7167-0344-0.

[edit]References

  • O'Hanian, Hans C.; & Ruffini, Remo (1994). Gravitation and Spacetime (2nd edition ed.). New York: W. W. Norton. ISBN 0-393-96501-5. See section 7.1.

[edit]External links


Classical unified field theories

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Since the 19th century, some physicists have attempted to develop a single theoretical framework that can account for the fundamental forces of nature – a unified field theoryClassical unified field theories are attempts to create a unified field theory based on classical physics. In particular, unification of gravitation and electromagnetism was actively pursued by several physicists and mathematicians in the years between World War I and World War II. This work spurred the purely mathematical development of differential geometryAlbert Einstein is the best known of the many physicists who attempted to develop a classical unified field theory.

This article describes various attempts at a classical (non-quantum), relativistic unified field theory. For a survey of classical relativistic field theories of gravitation that have been motivated by theoretical concerns other than unification, see Classical theories of gravitation. For a survey of current work toward creating a quantum theory of gravitation, see quantum gravity.

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[edit]Overview

The early attempts at creating a unified field theory began with the Riemannian geometry of general relativity, and attempted to incorporate electromagnetic fields into a more general geometry, since ordinary Riemannian geometry seemed incapable of expressing the properties of the electromagnetic field. Einstein was not alone in his attempts to unify electromagnetism and gravity; a large number of mathematicians and physicists, including Hermann WeylArthur EddingtonTheodor KaluzaLancelot Law Whyte, and R. Bach also attempted to develop approaches that could unify these interactions.[1][2] These scientists pursued several avenues of generalization, including extending the foundations of geometry and adding an extra spatial dimension.

[edit]Early work

The first attempts to provide a unified theory were by G. Mie in 1912 and Ernst Reichenbacher in 1916.[3][4] However, these theories were unsatisfactory, as they did not incorporate general relativity – in the former case, because general relativity had yet to be formulated. These efforts, along with those of Forster, involved making the metric tensor (which had previously been assumed to be symmetric and real-valued) into an asymmetric and/or complex-valued tensor, and they also attempted to create a field theory for matter as well.

[edit]Differential geometry and field theory

From 1918 until 1923, there were four distinct approaches to field theory: the gauge theory of Weyl, Kaluza's five-dimensional theory, Lancelot Law Whyte's theory based on the Unitary Principle, and Eddington's development of affine geometry. Einstein corresponded with these researchers, and collaborated with Kaluza, but was not yet fully involved in the unification effort.

[edit]Weyl's infinitesimal geometry

In order to include electromagnetism into the geometry of general relativity, Hermann Weyl worked to generalize the Riemannian geometry upon which general relativity is based. His idea was to create a more general infinitesimal geometry. He noted that in addition to a metric field there could be additional degrees of freedom along a path between two points in a manifold, and he tried to exploit this by introducing a basic method for comparison of local size measures along such a path, in terms of a gauge field. This geometry generalized Riemannian geometry in that there was a vector field Q, in addition to the metric g, which together gave rise to both the electromagnetic and gravitational fields. This theory was mathematically sound, albeit complicated, resulting in difficult and high-order field equations. The critical mathematical ingredients in this theory, the Lagrangiansand curvature tensor, were worked out by Weyl and colleagues. Then Weyl carried out an extensive correspondence with Einstein and others as to its physical validity, and the theory was ultimately found to be physically unreasonable. However, Weyl's principle of gauge invariance was later applied in a modified form to quantum field theory.

[edit]Kaluza's fifth dimension

Kaluza's approach to unification was to embed space-time into a five-dimensional cylindrical world; one of four space dimensions and one of time. Unlike Weyl's approach, Riemannian geometry was maintained, and the extra dimension allowed for the incorporation of the electromagnetic field vector into the geometry. Despite the relative mathematical elegance of this approach, in collaboration with Einstein and Einstein's aide Grommer it was determined that this theory did not admit a non-singular, static, spherically symmetric solution. This theory did have some influence on Einstein's later work and was further developed later by Klein in an attempt to incorporate relativity into quantum theory, in what is now known as Kaluza-Klein theory.

[edit]Lancelot Law Whyte's unitary field theory

This theory was based on an organizing process called by Lancelot Law Whyte the "Unitary Principle". The history of this theoretical approach is: Michael Faraday and James Clerk Maxwellworked from Rudjer Boscovich's theory, which dealt with non-Euclidean and higher-dimensional geometry. This prompted mathematicians such as Gauss and Riemann to investigate that area of mathematics. The mathematics that Riemann developed was used by Einstein in his theory ofgeneral relativity, but that was not as extensive a description as Boscovich's theory, for which the mathematics had been only incompletely developed. Lancelot Law Whyte's ideas were adopted for experimental work by Leo Baranski, who planned a series of books based upon this theory. Only Baranski's first book was published before his death, upon which this line of investigation based upon classical physics was abandoned by academia.

[edit]Eddington's affine geometry

Sir Arthur Stanley Eddington was a noted astronomer who became an enthusiastic and influential promoter of Einstein's general theory of relativity. He was among the first to propose an extension of the gravitational theory based on the affine connection as the fundamental structure field rather than the metric tensor which was the original focus of general relativity. Affine connection is the basis for parallel transport of vectors from one space-time point to another; Eddington assumed the affine connection to be symmetric in its covariant indices, because it seemed plausible that the result of parallel-transporting one infinitesimal vector along another should produce the same result as transporting the second along the first. (Later workers revisited this assumption.)

Eddington emphasized what he considered to be epistemological considerations; for example, he thought that the cosmological constant version of the general-relativistic field equation expressed the property that the universe was "self-gauging". Since the simplest cosmological model (the De Sitter universe) that solves that equation is a spherically symmetric, stationary, closed universe (exhibiting a cosmological red shift, which is more conventionally interpreted as due to expansion), it seemed to explain the overall form of the universe.

Like many other classical unified field theorists, Eddington considered that in the Einstein field equations for general relativity the stress-energy tensor  T_{\mu\nu} , which represents matter/energy, was merely provisional, and that in a truly unified theory the source term would automatically arise as some aspect of the free-space field equations. He also shared the hope that an improved fundamental theory would explain why the two elementary particles then known (proton and electron) have quite different masses.

The Dirac equation for the relativistic quantum electron caused Eddington to rethink his previous conviction that fundamental physical theory had to be based on tensors. He subsequently devoted his efforts into development of a "Fundamental Theory" based largely on algebraic notions (which he called "E-frames"). Unfortunately his descriptions of this theory were sketchy and difficult to understand, so very few physicists followed up on his work.[5]

[edit]Einstein's geometric approaches

When the equivalent of Maxwell's equations for electromagnetism is formulated within the framework of Einstein's theory of general relativity, the electromagnetic field energy (being equivalent to mass as one would expect from Einstein's famous equation E=mc2) contributes to the stress tensor and thus to the curvature of space-time, which is the general-relativistic representation of the gravitational field; or putting it another way, certain configurations of curved space-time incorporate effects of an electromagnetic field. This suggests that a purely geometric theory ought to treat these two fields as different aspects of the same basic phenomenon. However, ordinary Riemannian geometry is unable to describe the properties of the electromagnetic field as a purely geometric phenomenon.

Einstein tried to form a generalized theory of gravitation that would unify the gravitational and electromagnetic forces (and perhaps others), guided by a belief in a single origin for the entire set of physical laws. These attempts initially concentrated on additional geometric notions such asvierbeins and "distant parallelism", but eventually centered around treating both the metric tensor and the affine connection as fundamental fields. (Because they are not independent, the metric-affine theory was somewhat complicated.) In general relativity, these fields are symmetric (in the matrix sense), but since antisymmetry seemed essential for electromagnetism, the symmetry requirement was relaxed for one or both fields. Einstein's proposed unified-field equations (fundamental laws of physics) were generally derived from a variational principle expressed in terms of the Riemann curvature tensor for the presumed space-time manifold.[6]

In field theories of this kind, particles appear as limited regions in space-time in which the field strength or the energy density are particularly high. Einstein and coworker Leopold Infeld managed to demonstrate that, in Einstein's final theory of the unified field, true singularities of the field did have trajectories resembling point particles. However, singularities are places where the equations break down, and Einstein believed that in an ultimate theory the laws should apply everywhere, with particles being soliton-like solutions to the (highly nonlinear) field equations. Further, the large-scale topology of the universe should impose restrictions on the solutions, such as quantization or discrete symmetries.

The degree of abstraction, combined with a relative lack of good mathematical tools for analyzing nonlinear equation systems, make it hard to connect such theories with the physical phenomena that they might describe. For example, it has been suggested that the torsion (antisymmetric part of the affine connection) might be related to isospin rather than electromagnetism; this is related to a discrete (or "internal") symmetry known to Einstein as "displacement field duality".

Einstein became increasingly isolated in his research on a generalized theory of gravitation, and most physicists consider his attempts ultimately unsuccessful. In particular, his pursuit of a unification of the fundamental forces ignored developments in quantum physics (and vice versa), most notably the discovery of the strong nuclear force and weak nuclear force.[7] On the other hand, by 1930 Einstein had already considered the Einstein-Maxwell-Dirac System [Dongen]. This system is (heuristically) the super-classical [Varadarajan] limit of (the not mathematically well-defined) Quantum Electrodynamics. One can easily extend this system to include the weak and strong nuclear forces to get the Einstein-Yang-Mills-Dirac System. This system has complete solutions without singularities, solitons, and a Cyclic Universe solution. (The system has negative energy density; hence doesn't satisfy the positivity conditions in the Penrose-Hawking Singularity Theorems.) The E-Y-M-D equations provide an alternative approach to a Cyclic Universe which Penrose [Penrose] has recently been advocating. They also imply that the massive compact objects now classified as Black Holes are actually Quark Stars, possibly with event horizons, but without singularities.6 A Super version [Varadarajan] of the above-including super-neutrinos-might be needed to explain Dark Matter. The E-Y-M-D is also a totally geometricized theory as a non-commutative geometry [Connes] [Connes-Marcolli]; the charge e and the mass m of the electron are geometric invariants of the non-commutative geometry analogous to pi. Unfortunately, there are quantum phenomena, such as EPR, for which this beautiful theory doesn't make adequate predictions. (One can still have a Block Universe: see [Goldstein], [Nottale].)

[edit]Schrödinger's pure-affine theory

Inspired by Einstein's approach to a unified field theory and Eddington's idea of the affine connectionas the sole basis for differential geometric structure for space-timeErwin Schrödinger from 1940 to 1951 thoroughly investigated pure-affine formulations of generalized gravitational theory. Although he initially assumed a symmetric affine connection, like Einstein he later considered the nonsymmetric field.

Schrödinger's most striking discovery during this work was that the metric tensor was induced upon the manifold via a simple construction from the Riemann curvature tensor, which was in turn formed entirely from the affine connection. Further, taking this approach with the simplest feasible basis for the variational principle resulted in a field equation having the form of Einstein's general-relativistic field equation with a cosmological term arising automatically.[8]

Skepticism from Einstein and published criticisms from other physicists discouraged Schrödinger, and his work in this area has been largely ignored.

[edit]Later work

After the 1930s, progressively fewer scientists worked on classical unification, due to the continual development of quantum theory and the difficulties encountered in developing a quantum theory of gravity. Einstein continued to work on unified field theories of gravity and electromagnetism, but he became increasingly isolated in this research, which he pursued until his death. Despite the publicity of this work due to Einstein's celebrity status, it never resulted in a resounding success.

Most scientists, though not Einstein, eventually abandoned classical theories. Current mainstream research on unified field theories focuses on the problem of creating quantum gravity and unifying such a theory with the other fundamental theories in physics, which are quantum theories. (Some programs, most notably string theory, attempt to solve both of these problems at once.) With four fundamental forces now identified, gravity remains the one force whose unification proves problematic.

Although new "classical" unified field theories continue to be proposed from time to time, often involving non-traditional elements such as spinors, none has been generally accepted by physicists.

[edit]References

  1. ^ Weyl, H. (1918). "Gravitation und Elektrizität". Sitz. Preuss. Akad. Wiss.: 465.
  2. ^ Eddington, A. S. (1924). The Mathematical Theory of Relativity, 2nd ed.. Cambridge Univ. Press.
  3. ^ Mie, G. (1912). "Grundlagen einer Theorie der Materie". Ann. Phys. 37 (3): 511–534. Bibcode1912AnP...342..511Mdoi:10.1002/andp.19123420306.
  4. ^ Reichenbächer, E. (1917). "Grundzüge zu einer Theorie der Elektrizität und der Gravitation". Ann. Phys. 52 (2): 134–173. Bibcode 1917AnP...357..134Rdoi:10.1002/andp.19173570203.
  5. ^ Kilmister, C. W. (1994). Eddington's search for a fundamental theory. Cambridge Univ. Press.
  6. ^ Einstein, A. (1956). The Meaning of Relativity. 5th ed.. Princeton Univ. Press.
  7. ^ Gönner, Hubert F. M.. "On the History of Unified Field Theories"Living Reviews in Relativity. Retrieved August 10, 2005.
  8. ^ Schrödinger, E. (1950). Space-Time Structure. Cambridge Univ. Press.

[Connes] Noncommutative Geometry, http://www.amazon.com/Noncommutative-Geometry-Alain-Connes/dp/012185860X/ref=sr_1_1?s=books&ie=UTF8&qid=1321029105&sr=1-1

[Connes-Marcolli] Noncommutative Geometry, Quantum Fields and Motives (Colloquium Publications),http://www.amazon.com/Noncommutative-Geometry-Quantum-Colloquium-Publications/dp/0821842102/ref=sr_1_1?s=books&ie=UTF8&qid=1321029602&sr=1-1

[Dongen] Einstein's Unification,http://www.amazon.com/Einsteins-Unification-Jeroen-van-Dongen/dp/0521883466/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1321025679&sr=8-1

[Goldstein] Bohmian Mechanics, http://plato.stanford.edu/entries/qm-bohm/

[Nottale] Scale Relativity And Fractal Space-Time: A New Approach to Unifying Relativity and Quantum Mechanics,http://www.amazon.com/Scale-Relativity-Fractal-Space-Time-Mechanics/dp/1848166508/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1323694470&sr=8-1

[Penrose] BEFORE THE BIG BANG: AN OUTRAGEOUS NEW PERSPECTIVE AND ITS IMPLICATIONS FOR PARTICLE PHYSICS,http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/e06/PAPERS/THESPA01.PDF

[Varadarajan] Supersymmetry for Mathematicians: An Introduction (Courant Lecture Notes),http://www.amazon.com/Supersymmetry-Mathematicians-Introduction-Courant-Lecture/dp/0821835742/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1321023252&sr=8-1

此路是对的!只是需要不可微几何!

Tuesday, May 22, 2012

爱因斯坦 自述

我已经67岁了,坐在这里,为的是要写点类似自己的讣告那样的东西。我做这件事情,不仅因为希耳普博土已经说服了我,而且我自己也确实相信,向共同奋斗着的人们讲一讲一个人自己努力和探索过的事情在回顾中看起来是怎样的,那该是一件好事。

    稍作考虑以后,我就觉得,这种尝试的结果肯定不会是完美无缺的。因为,一个人工作的一生不论怎样短暂和有限,其间经历的歧途不论怎样占优势,要把那些值得讲的东西讲清楚,毕竟是不容易的——现在67岁的人已完全不同于他50岁、30岁或者20岁的时候了。

    任何回忆都染上了当前的色彩,因而也带有不可靠的观点。这种考虑可能使人畏难而退。然而,一个人还是可以从自己的经验里提取许多别人所意识不到的东西。

  当我还是一个相当早熟的少年的时候,我就已经深切地意识到,大多数人终生无休止地追逐的那些希望和努力是毫无价值的。而且,我不久就发现了这种追逐的残酷,这在当年较之今天是更加精心地用伪善和漂亮的字句掩饰着的。

    每个人只是因为有个胃,所以就注定要参与这种追逐。而且,由于参与这种追逐,他的胃是有可能得到满足的;但是,一个有思想、有感情的人却不能由此而得到满足。这样,第一条出路就是宗教,它通过传统的教育机关灌输给每一个儿童。因此,尽管我是完全没有宗教信仰的(犹太人)双亲的儿子,我还是深深地信仰宗教,但是,这种信仰在我12岁那年就突然中止了。

    出于读了通俗的科学书籍,我很快就相信,《圣经》里的故事有许多不可能是真实的。其结果就是一种真正狂热的自由思想,并且交织着这样一种印象:国家是故意用谎言来欺骗年轻人的;这是一种令人目瞪口呆的印象。这种经验引起我对所有权威的怀疑,对任何社会环境里都会存在的信念完全抱一种怀疑态度,这种态度再也没有离开过我,即使在后来,由于更好地搞清楚了因果关系,它已失去了原有的尖锐性的时候也是如此。

   我很清楚,我的少年时代的宗教天堂就这样失去了,这是使我自己从“仅仅作为个人”的桎梏中,从那种被愿望、希望和原始感情所支配的生活中解放出来的第一个尝试。

在我们之外有一个巨大的世界,它离开我们人类而独立存在,它在我们面前就象一个伟大而永恒的谜,然而至少部分地是我们的观察和思维所能及的。对这个世界的凝视深思,就象得到解放一样吸引着我们。

    我不久就注意到,许多我所尊敬和钦佩的人,在专心从事这项事业中,找到了内心的自由和安宁。在向我们提供的一切可能范围里,从思想上掌握这个在个人以外的世界,总是作为一个最高目标而有意无意地浮现在我的心目中。

    有类似想法的古今人物,以及他们已经达到的真知灼见,都是我的不可失去的朋友。通向这个天堂的道路,并不象通向宗教天堂的道路那样舒坦和诱人;但是,它已证明是可以信赖的,而且我从来也没有为选择了这条道路而后悔过。

    我在这里所说的,仅仅在一定意义上是正确的,正象一张不多几笔的画,只能在很有限的意义上反映出一个细节混乱的复杂对象一样。如果一个人爱好很有条理的思想,那么他的本性的这一方面很可能以牺牲其他方面为代价而显得更为突出,并且愈来愈明显地决定着他的精神面貌。在这种情况下,这样的人在回顾中所看到的,很可能只是一种千篇一律的有系统的发展,然而,他的实际经验却是在千变万化的单个情况中发生的。外界情况是多种多样的,意识的瞬息内容是狭隘的,这就引起了每一个人生活的一种原子化。

    象我这种类型的人,思维发展的转折点在于,自己的主要兴趣逐渐远远地摆脱了短暂的和仅仅作为个人的方面,而转向力求从思想上去掌握事物。从这个观点来看,可以象上面这样简要地说出来的纲要式的评述里,已包含着尽可能多的真理了。

   准确地说,“思维”是什么呢?当接受感觉印象时出现记忆形象,这还不是“思维”。而且,当这样一些形象形成一个系列时,其中每一个形象引起另一个形象,这也还不是“思维”,可是,当某一形象在许多这样的系列中反复出现时,那么,正是由于这种再现,它就成为这种系列的一个起支配作用的元素,因为它把那些本身没有联系的系列联结了起来。这种元素便成为一种工具、一种概念。

    我认为,从自由联想或者“做梦”到思维的过渡,是由“概念”在其中所起的或多或少的支配作用来表征的。概念决不是一定要同通过感觉可以知觉的和可以再现的符号(词)联系起来的;但是如果有了这样的联系,那么思维因此就成为可以交流的了。

   读者会问,这个人有什么权利,在这样一个有问题的领域里,如此轻率而原始地运用观念,而不作丝毫努力去作点证明呢?我的辩护是:我们的一切思维都是概念的一种自由游戏;至于这种游戏的合理性,那就要看我们借助于它来概括感觉经验所能达到的程度。“真理”这个概念还不能用于这样的结构;按照我的意见,只有在这种游戏的元素和规则已经取得了广泛的一致意见(约定)的时侯,才谈得上达到“真理”概念。

    对我来说,毫无疑问,我们的思维不用符号(词)绝大部分也都能进行,而且在很大程度上是无意识地进行的。否则,为什么我们有时会完全自发地对某一经验感到“惊奇”呢?这种“惊奇”似乎只是当经验同我们的充分固定的概念世界有冲突时才会发生。每当我们尖锐而强烈地经历到这种冲突时,它就会以一种决定性的方式反过来作用于我们的思维世界。这个思维世界的发展,在某种意义上说就是对“惊奇”的不断摆脱。

   当我还是一个四、五岁的小孩,在父亲给我看一个罗盘的时候,就经历过这种惊奇。这只指南针以如此确定的方式行动,根本不符合那些在无意识的概念世界中能找到位置的事物的本性的(同直接“接触”有关的作用)。我现在还记得,至少相信我还记得,这种经验给我一个深刻而持久的印象。

    我想一定有什么东西深深地隐藏在事情后面。凡是人从小就看到的事情,不会引起这种反应;他对于物体下落,对于风和雨,对于月亮或者对于月亮不会掉下来,对于生物和非生物之间的区别等都不感到惊奇。

   在12岁时,我经历了另一种性质完全不同的惊奇:这是在一个学年开始时,当我得到一本关于欧几里德平面几何的小书时所经历的。这本书里有许多断言,比如,三角形的三个高交于一点,它们本身虽然并不是显而易见的,但是可以很可靠地加以证明,以致任何怀疑似乎都不可能。这种明晰性和可靠性给我造成了一种难以形容的印象。

    至于不用证明就得承认公理,这件事并没有使我不安。如果我能依据一些其有效性在我看来是无容置疑的命题来加以证明,那么我就完全心满意足了。比如,我记得在这本神圣的几何学小书到我手中以前,有位叔叔曾经把毕达哥拉斯定理告诉了我。经过艰巨的努力以后,我根据三角形的相似性成功地“证明了”这条定理;在这样做的时候,我觉得,直角三角形各个边的关系“显然”完全决定于它的一个锐角。在我看来,只有在类似方式中不是表现得很“显然”的东西,才需要证明。而且,几何学研究的对象,同那些“能被看到和摸到的”感官知觉的对象似乎是同一类型的东西。这种原始观念的根源,自然是由于不知不觉地存在着几何概念同直接经验对象(刚性杆、截段等等)的关系,这种原始观念大概也就是康德提出那个著名的关于“先验综合判断”可能性问题的根据。

   如果因此好象用纯粹思维就可能得到关于经验对象的可靠知识,那么这种“惊奇”就是以错误为依据的。但是,对于第一次经验到它的人来说,在纯粹思维中竟能达到如此可靠而又纯粹的程度,就象希腊人在几何学中第一次告诉我们的那样,是足够令人惊讶的了。

   既然我已经打断了刚开始的讣告而且扯远了,因此,我将毫不踌躇地在这里用几句话来说明我的认识论信条,虽然有些话在前面已经顺便谈过了,这个信条实际上是在很久以后才慢慢地发展起来的,而且同我年轻时候所持的观点并不一致。我一方面看到感觉经验的总和,另一方面又看到书中记载的概念和命题的总和。概念和命题之间的相互关系具有逻辑的性质,而逻辑思维的任务则严格限于按照一些既定的规则(这是逻辑学研究的问题)来建立概念和命题之间的相互关系。概念和命题只有通过它们同感觉经验的联系才获得其“意义”和“内容”。后者同前者的联系纯粹是直觉的联系,并不具有逻辑的本性。

    科学“真理”同空洞幻想的区别就在于这种联系,即这种直觉的结合能够被保证的可靠程度,而不是别的什么。概念体系连同那些构成概念体系结构的句法规则都是人的创造物。虽然概念体系本身在逻辑上完全是任意的,可是它们受到这样一个目标的限制,就是要尽可能做到同感觉经验的总和有可靠的(直觉的)和完备的对应关系;其次,它们应当使逻辑上独立的元素(基本概念和公理),即不下定义的概念和推导不出的命题,要尽可能的少。

   命题如果是在某一逻辑体系里按照公认的逻辑规则推导出来的,它就是正确的。体系所具有的真理内容取决于它同经验总和的对应可能性的可靠性和完备性。正确的命题是从它所属的体系的真理内容中取得的。

   对历史发展的一点意见。休谟清楚地了解到,有些概念,比如因果性概念,是不能用逻辑方法从经验材料中推导出来的。康德完全确信某些概念是不可缺少的,他认为这些概念——它们正是这样挑选出来的——是任何思维的必要前提,并且把它们同那些来自经验的概念区别开来。但是,我相信,这种区分是错误的,那就是说,它不是按自然的方式来正确对待问题的。一切概念,甚至那些最接近经验的概念,从逻辑观点看来,完全象因果性概念一样,都是一些自由选择的约定,而这个问题首先是从因果性概念提出来的。

   现在再回到讣告上来。在12—16岁的时候,我熟悉了基础数学,包括微积分原理。这时,我幸运地接触到一些书,它们在逻辑严密性方面并不太严格,但是能够简单明了地突出基本思想。总的说来,这个学习确实是令人神往的;它给我的印象之深并不亚于初等几何,好几次达到了顶点——解析几何的基本思想,无穷级数,微分和积分概念。

    我还幸运地从一部卓越的通俗读物中知道了整个自然科学领域里的主要成果和方法,这部著作(《伯恩斯坦的自然科学通俗读本》是一部有五、六卷的著作)几乎完全局限于定性的叙述,这是一部我聚精会神地阅读了的著作。当我17岁那年作为学数学和物理学的学生进入苏黎世工业大学时,我已经学过一些理论物理学了。

    在那里,我有几位卓越的老师(比如,胡尔维兹、明可夫斯基),所以照理说,我应该在数学方而得到深造。可是我大部分时间却是在物理实验室里工作,迷恋于同经验直接接触。其余时间,则主要用于在家里阅读基尔霍夫、亥姆霍兹、赫兹等人的著作。

    我在一定程度上忽视了数学,其原因不仅在于我对自然科学的兴趣超过对数学的兴趣,而且还在于下述奇特的经验。我看到数学分成许多专门领域,每一个领域都能费去我们短暂的一生。因此,我觉得自己的处境象布里丹的驴子一样,它不能决定究竟该吃哪一捆干草。这显然是由于我在数学领域里的直觉能力不够强,以致不能把真正带有根本性的最重要的东西同其余那些多少且可有可无的广博知识可靠地区分开来。

    此外,我对自然知识的兴趣,无疑地也比较强;而且作为一个学生,我还不清楚,在物理学中,通向更深入的基本知识的道路是同最精密的数学方法联系着的。只是在几年独立的科学研究工作以后,我才逐渐地明白了这一点。

    诚然,物理学也分成了各个领域,其中每一个领域都能吞噬短暂的一生,而且还没有满足对更深邃的知识的渴望。在这里,已有的旧且尚未充分地被联系起来的实验数掘的数量也是非常大的。可是,在这个领域里,我不久就学会了识别出那种能导致深邃知识的东西,而把其他许多东西撇开不管,把许多充塞脑袋、并使它偏离主要目标的东西撇开不管。

    当然,这里的问题在于,人们为了考试,不论愿意与否,都得把所有这些废物统统塞进自己的脑袋。这种强制的结果使我如此畏缩不前,以致在我通过最后的考试以后有整整一年对科学问题的任何思考都感到扫兴。

    但是得说句公道话,我们在瑞士所受到的这种窒息真正科学动力的强制,比其他许多地方要少得多。这里一共只有两次考试,除此以外,人们差不多可以做他们愿意做的任何事情。如果能象我这样,有个朋友经常去听课,并且认真地整理讲课内容,那情况就更是如此了。这种情况给予人们以选择从事什么研究的自由,直到考试前几个月为止。我大大地享受了这种自由,并把与此伴随而来的内疚看作是乐意忍受的微不足道的弊病。

    现代的教学方法,竟然还没有把研究问题的神圣好奇心完全扼杀掉,真可以说是一个奇迹;因为这株脆弱的幼苗,除了需要鼓励以外,主要需要自由;要是没有自由,它不可避免地会夭折。

    认为用强制和责任感就能增进观察和探索的乐趣,那是一种严重的错误。我想,即使是一头健康的猛兽,当它不饿的时候,如果用鞭子强迫它不断地吞食,特别是当人们强迫喂给它吃的食物是经过适当选择的时候,也会使它丧失其贪吃的习性的。

  爱因斯坦晚年时的人生回顾

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爱因斯坦晚年时的人生回顾

    现在来谈当时物理学的情况。当时物理学在各个细节上虽然取得了丰硕的成果,但在原则问题上居统治地位的是教条式的顽固:开始时(假如有这样的开始)上帝创造了牛顿运动定律以及必需的质量和力。这就是一切;此外一切都可以用演绎法从适当的数学方法发展出来。在这个基础上,特别是由于偏微分方程的应用,十九世纪所取得的成就必然会引起所有有敏锐的理解能力的人的赞叹。牛顿也许是第一个在他的声传播理论中揭示了偏微分方程的功效的人。欧勒已经创立了流体动力学的基础。但是,作为整个物理学基础的质点力学的更加精确的发展,则是十九世纪的成就。

    然而,对于一个大学生来说,印象最深刻的并不是力学的专门结构或者它所解决的复杂问题,而是力学在那些表面上同力学无关的领域中的成就;光的力学理论,它把光设想为准刚性的弹性以太的波动,但是首先是气体分子运动论:单原子气体比热同原子量无关,气体状态方程的导出及共同比热的关系,气体离解的分子运动论,特别是气体的粘滞性、热传导和扩散之间的定量关系,而且气体扩散还提供了原子的绝对大小。这些结果同时支持了力学作为物理学和原子假说的基础,而后者在化学中已经牢固地确立了它的地位。但是在化学中起作用的仅仅是原子的质量之比,而不是它们的绝对大小,因此原子论与其看作是关于物质的实在结构的一种认识,不如看作是一种形象化的比喻。此外,古典力学的统计理论能够导出热力学的基本定律,也是令人深感兴趣的,这在本质上已经由玻耳兹曼完成了。

    因此我们不必惊奇,可以说上一世纪所有的物理学家,都把经典力学看作是全部物理学的、甚至是全部自然科学的牢固的和最终的基础,而且,他们还孜孜不倦地企图把这一时期逐渐取得全面胜利的麦克斯韦电磁理论也建立在力学的基础之上,甚至连麦克斯韦和H.扬兹,在他们自觉的思考中,也都始终坚信力学是物理学的可靠基础,而我们在回顾中可以公道地把他们看成是动摇了以力学作为一切物理学思想的最终基础这一信念的人。

    是恩斯特・马赫,在他的《力学史》中冲击了经典力学教条式的信念;当我是—个学生的时候,这本书正是在这方面给了我深刻的影响。我认为,马赫的真正伟大,就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性;在我年轻的时候,马赫的认识论观点对我也有过很大的影响,但是,这种观点今天在我看来是根本站不住脚的。因为他没有正确阐明思想中,特别是科学思想中本质上是构造的和思辩的性质;因此,正是在理论的构造的——思辨的特征赤裸裸地表现出来的那些地方,他却指责了理论,比如在原子运动论中就是这样。 

   在我开始批判那个作为物理学基础的力学以前,首先必须谈谈某些一般观点,根据这些观点,才有可能去批判各种物理理论。第一个观点是很明显的:理论不应当同经验事实相矛盾。这个要求初看起来似乎很明显,但应用起来却非常伤脑筋。因为人们常常,甚至总是可以用人为的补充假设来使理论同事实相适应,从而坚持一种普遍的理论基础。但是,无论如何,这第一个观点所涉及的是用现成的经验事实来证实理论基础。

   第二个观点涉及的不是关于理论同观察材料的关系问题,而是关于理论本身的前提,关于人们可以简单地,但比较含糊地称之为前提(基本概念以及这些概念之间作为基础的关系)的“自然性”或者“逻辑的简单性”。这个观点从来都在选择和评价各种理论时起着重大的作用,但是确切地把它表达出来却有很大困难。这里的问题不单是一种列举逻辑上独立的前提问题(如果这种列举竟是毫不含糊地可能的话),而是一种在不能此较的性质间作相互权衡的问题。其次,在几种基础同样“简单”的理论中,那种对理论体系的可能性质限制最严格的理论(即含有最确定的论点的理论)被认为是比较优越的。这里我不需要讲到理论的“范围”,因为我们只限于这样一些理论,它们的对象是一切物理现象的总和。

     第二个观点可以简要地称为同理论本身有关的“内在的完备”,而第一个观点则涉及“外部的证实”。我认为下面这一点也属于理论的“内在的完备”:从逻辑观点来看,如果一种理论并不是从那些等价的和以类似方式构造起来的理论中任意选出的,那么我们就给予这种理论以较高的评价。

   我不想用篇幅不够来为上面两段括中包含的论点不够明确求得原谅,而要在这里承认,我不能立刻,也许根本就没有能力用明确的定义来代替这些提示。但是,我相信,要作比较明确的阐述还是可能的。无论如何,可以看到,“预言家”们在判断理论的“内在的完备”时,他们之间的意见往往是一致的,至于对“外部的证实”程度的判断,情况就更是如此了。

   现在来批判作为物理学基础的力学。……牛顿啊,请原谅我;你所发现的道路,在你那个时代,是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一的道路。你所创造的概念,甚至今天仍然指导着我们的物理学思想,虽然我们现在知道,如果要更加深入地理解各种联系,那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概念来代替这些概念。

   惊奇的读者可能会问:“难道这算是讣告吗?”我要回答说:本质上是的。因为,像我这种类型的人,一生中主要的东西,正是在于他所想的是什么和他是怎样想的,而不在于他所做的或者经受的是什么。所以,这讣告可以主要限于报道那些在我的努力中起重要作用的思想。一种理论的前提的简单性越大,它所涉及的事物的种类越多,它的应用范围越广,它给人们的印象也就越深。因此,古典热力学对我造成了深刻的印象。我确信,这是在它的基本概念可应用的范围内决不会被推翻的唯一具有普遍内容的物理理论(这一点请那些原则上是怀疑论者的人特别注意)。 

  在我的学生时代,最使我着迷的课题是麦克斯韦理论。麦克斯韦理论从超距作用力过渡到以场作为基本变量,而使它成为革命的理论。光学并入电磁理论,连同光速同绝对电磁单位制的关系,以及折射率同介电常数的关系,反射系数同金属体的传导率之间的定性关系——这真好象是一种启示。在这里,除了转变为场论,即转变为用微分方程来表示基本定律外,麦克斯韦理论只需要一个唯一的假设性的步骤——在真空和电介质中引进位移电流及其磁效应,这种革新几乎是由微分方程的形式性质规定了的。谈到这里,我情不自禁地要说,在法拉第—麦克斯韦这一对同伽利略—牛顿这一对之间有非常值得注意的内在相似性——每一对中的第一位都直觉地抓住了事物的联系,而第二位则严格地用公式把这些联系表述了出来,并且定量地应用了它们。

   在那些年代里,我自己的兴趣主要不在于普朗克的成就所得出的个别结果,尽管这些结果可能非常重要。我的主要问题是:从那个辐射公式中,关于辐射的结构,以及更一般地说,关于物理学的电磁基础,能够得出什么样的普遍结论呢?

    在我深入讨论这个问题之前,我必须简要地提到关于布朗运动及有关课题(起伏现象)的一些研究,这些研究主要是以古典的分子力学为根据的。在不知道玻耳兹曼和吉布斯的已经发表而且事实上已经把问题彻底解决了的早期研究工作的情况下,我发展了统计力学,以及以此为基础的热力学的分子运动论。在这里,我的主要目的是要找到一些事实,尽可能地确证那些有确定的有限大小的原子的存在。这时我发现,按照原子论,一定会有一种可以观察到的悬浮微粒的运动,而我并不知道,关于这种“布朗运动”的观察实际上早已是人所共知的了。

    最筒单的推论是以如下的考虑为根据的。如果分子运动论原则上是正确的,那么那些可以看得见的粒子的悬浮液就一定也象分子溶液一样,具有一种能满足气体定律的渗透压。这种渗透压同分子的实际数量有关,亦即同一克量中的分子个数有关。如果悬浮液的密度并不均匀,那么这种渗透压也会因此而在空间各处有所不同,从而引起一种趋向均匀的扩散运动,这种扩散运动可以从已知的粒子迁移率计算出来。但另一方面,这种扩散过程也可以看作是悬浮粒子因热骚动而引起的、原来不知其大小的无规则位移的结果。通过把这两种考虑所得出的扩散通量的数值等同起来,就可以定量地得到这种位移的统计定律,也就是布朗运动定律。这些考察同经验的一致,以及普朗克根据辐射定律(对于高温)对分子的真实大小的测定,使当时许多怀疑论者相信了原子的实在性。

    这些怀疑论学者之所以厌恶原子论,无疑可以溯源于他们的实证论的哲学观点。这是一个有趣的例子,它表明即使是有勇敢精神和敏锐本能的学者,也可以因为哲学上的偏见而妨碍他们对事实作出正确解释。这种偏见——至今还没有灭绝——就在于相信毋须自由的概念构造,事实本身就能够而且应该为我们提供科学知识。这种误解之所以可能,只是因为人们不容易认识到,经过验证和长期使用而显得似乎同经验材料直接相联系的那些概念,其实都是自由选择出来的。

    1895年,我在既未入学也无教师的情况下,跟我父母在米兰度过一年之后,我这个十六岁的青年人从意大利来到苏黎世。我的目的是要上联邦工业大学,可是—点也不知道怎样才能达到这个目的。我是一个执意的而又有自知之明的年轻人,我的那一点零散的有关知识主要是靠自学得来的。热衷于深入理解,但很少去背诵,加以记忆力又不强,所以我觉得上大学学习决不是一件轻松的事。

    怀着一种根本没有把握的心情,我报名参加工程系的入学考试。这次考试可悲地显示了我过去所受的教育的残缺不全,尽管主持考试的人既有耐心又富有同情心。我认为我的失败是完全应该的。然而可以自慰的是,物理学家韦伯让人告诉我,如果我留在苏黎世,可以去听他的课。但是校长阿耳宾赫尔措格教授却推荐我到阿劳州立中学上学,我可以在那里学习一年来补齐功课。

    阿劳州立中学以它的自由精神和那些毫不仰赖外界权威的教师们的纯朴热情给我留下了难忘的印象;同我原来生活在一个处处使人感到受权威指导的德国中学的六年学习相对此,使我深切地感到,自由行动和自我负责的教育,比起那种依赖训练,外界权威和求名利的教育来,是多么的优越呀。真正的民主决不是虚幻的空想。

    在阿劳这一年中,我想到这样一个问题:倘使一个人以光速跟着光波跑,那么他就处在一个不随时间而改变的波场之中。但看来不会有这种事情,这是同狭义相对论有关的第一个朴素的理想实验。狭义相对论这一发现决不是逻辑思维的成就,尽管最终的结果同逻辑形式有关。

     1896--1900年在苏黎世工业大学的师范系学习。我很快发现,我能成为一个有中等成绩的学生也就该心满意足了。

    要做一个好学生,必须有能力去很轻快地理解所学习的东西;要心甘情愿地把精力完全集中于人们所教给你的那些东西上;要遵守秩序,把课堂上讲解的东西笔记下来,然后自觉地做好作业。遗憾的是,我发现这一切特性正是我最为欠缺的。

    于是我逐渐学会抱着某种负疚的心情自由自在地生活,安排自己去学习那些适合于我的求知欲和兴趣的东西。我以极大的兴趣去听某些课。但是我‘刷掉了'很多课程,而以极大的热忱在家里向理论物理学的大师们学习。这样做是好的,并且显著地减轻了我的负疚心情,从而使我心境的平衡终于没有受到剧烈的扰乱。

    这种广泛的自学不过是原有习惯的继续;有一位塞尔维亚的女同学参加了这件事,她就是米列娃玛里奇,后来我同她结了婚。可是我热情而又努力地在H.F.韦伯教授的物理实验室里工作。盖塞教授关于微分几何的讲授也吸引了我,这是数学艺术的真正杰作,在我后来为建立广义相对论的努力中帮了我很大的忙。

    不过在这些学习的年代,高等数学并未引起我很大的兴趣。我错误地认为,这是一个有那么多分支的领域,一个人在它的任何一个部门中都很容易消耗掉他的全部精力。而且由于我的无知,我还以为对于一个物理学家来说,只要明晰地掌握了数学基本概念以备应用,也就很够了;而其余的东西,对于物理学家来说,不过是不会有什么结果的枝节问题。这是一个我后来才很难过地发现到的错误。我的数学才能显然还不足以使我能够把中心的和基本的内容同那些没有原则重要性的表面部分区分开来。

     在这些学习年代里,我同一个同学马尔塞耳・格罗斯曼建立了真正的友谊。每个星期我总同他去一次里马特河口的‘都会'咖啡店,在那里,我同他不仅谈论学习,也谈论着睁着大眼的年轻人所感兴趣的一切。他不是象我这样一种流浪汉和离经叛道的怪人,而是一个浸透了瑞士风格同时又一点也没有丧失掉内心自主性的人。此外,他正好具有许多我所欠缺的才能:敏捷的理解能力,处理任何事情都井井有条。他不仅学习同我们有关的课程,而且学习得如此出色,以致人们看到他的笔记本都自叹不及。在准备考试时他把这些笔记本借给我,这对我来说,就象救命的锚;我怎么也不能设想,要是没有这些笔记本,我将会怎样。

    虽然有了这种不可估量的帮助,尽管摆在我们面前的课程本身都是有意义的,可是我仍要花费很大的力气才能基本上学会这些东西。对于象我这样爱好沉思的人来说,大学教育并不总是有益的。无论多好的食物强迫吃下去,总有一天会把胃口和肚子搞坏的。纯真的好奇心的火花会渐渐地熄灭。幸运的是,对我来说,这种智力的低落在我学习年代的幸福结束之后只持续了一年。 

    马尔塞耳・格罗斯曼作为我的朋友给我最大的帮助是这样一件事:在我毕业后大约一年左右,他通过他的父亲杷我介绍给瑞士专利局(当时还叫做‘精神财产局')局长弗里德里希・哈勒。经过一次详尽的口试之后,哈勒先生把我安置在那儿了。这样,在我的最富于创造性活动的1902一1909这几年当中,我就不用为生活而操心了。

    即使完全不提这一点,明确规定技术专利权的工作,对我来说也是一种真正的幸幅。它迫使你从事多方面的思考,它对物理的思索也有重大的激励作用。总之,对于我这样的人,一种实际工作的职业就是一种绝大的幸福。因为学院生活会把一个年轻人置于这样一种被动的地位:不得不去写大量科学论文——结果是趋于浅薄,这只有那些具有坚强意志的人才能顶得住。然而大多数实际工作却完全不是这样,一个具有普通才能的人就能够完成人们所期待于他的工作。作为一个平民,他的日常的生活并不靠特殊的智慧。如果他对科学深感兴趣,他就可以在他的本职工作之外埋头研究他所爱好的问题。他不必担心他的努力会毫无成果。我威谢马尔塞耳.格罗斯曼给我找到这么幸运的职位。

    关于在伯尔尼的那些愉快的年代里的科学生涯,在这里我只谈一件事,它显示出我这一生中最富有成果的思想。狭义相对论问世已有好几年。相对性原理是不是只局限于惯性系(即彼此相对作匀速运动的坐标系)呢,形式的直觉回答说:‘大概不!'然而,直到那时为止的全部力学的基础——惯性原理——看来却不允许把相对性原理作任何推广。如果一个人实际上处于一个(相对于惯性系)加速运动的坐标系中,那么一个‘孤立'质点的运动相对于这个人就不是沿着直线而匀速的。

    从窒息人的思维习惯中解放出来的人立即会问:这种行为能不能给我提供一个办法去分辨一个惯性系和一个非惯性系呢,他一定(至少是在直线等加速运动的情况下)会断定说:事情并非如此。因为人们也可以把相对于一个这样加速运动的坐标系的那种物体的力学行为解释为引力场作用的结果;这件事之所以可能,是由于这样的经验事实:在引力场中,各个物体的加速度同这些物体的性质无关,总都是相同的。这种知识(等效原理)不仅有可能使得自然规律对于一个普遍的变换群,正如对于洛论兹变换群那样,必须是不变的(相对性原理的推广),而且也有可能使得这种推广导致一个深入的引力理论。这种思想在原则上是正确的,对此我没有丝毫怀疑。但是,要把它贯彻到底,看来有几乎无法克服的困难。首先,产生了一个初步考虑:向一个更广义的变换群过渡,同那个开辟了狭义相对论道路的时空坐标系的直接物理解释不相容。其次,暂时还不能预见到怎样去选择推广的变换群。实际上,我在等效原理这个问题上走过弯路,这里就不必提它了。

     1909--1912年,当我在苏黎世以及布拉格大学讲授理论物理学的时候,我不断地思考这个问题。1912年,当我被聘请到苏黎世工业大学任教时,我已经很接近于解决这个问题了。在这里,海尔曼.明可夫斯基关于狭义相对论形式基础的分析显得很重要。这种分析归结为这样一条定理:四维空间有一个(不变的)准欧几里得度规:它决定着实验上可证实的空间度规特性和惯性原理,从而又决定着洛仑兹不变的方程组的形式。在这个空间中有一种特选的坐标系,即准笛卡儿坐标系,它在这里是唯一‘自然的'坐标系(惯性系)……。

    这种陈述方式固然还是只涉及准欧几里得空间的情况,但它也指明了如何达到一般的引力场的道路。在这里,引力场还是用一种度规,即用一个对称张量场来描述的。因此,进一步的推广就仅仅在于如何满足这样的要求:这个场通过一种单纯的坐标变换而能成为准欧几里得的。

    这样,引力问题就归结为一个纯数学的问题了。对于对称张量场来说是否存在着一个对非线性坐标变换能保持不变的微分方程呢?这样的微分方程而且只有这样的微分方程才能是引力场的场方程。后来,质点的运动定律就是由短程线的方程来规定的。

    我头脑中带着这个问题,于1912年去找老同学马尔塞耳.格罗斯曼,那时他是苏黎世工业大学的数学教授。这立即引起他的兴趣,虽然作为一个纯数学家,他对于物理学抱有一些怀疑的态度。当我们都还是大学生时,当我们在咖啡店里以习惯的方式相互交流思想时,他有一次曾经说过这样一句非常俏皮而又具有特色的话(我不能不在这里引用这句话):“我承认,我从学习物理当中也得到了某些实际的好处。当我从前坐在椅子上感觉到在我以前坐过这椅子的人所发出的热时,我总有点不舒服。但现在已经没有这种事了,因为物理学告诉我,热是某种非个人的东西。” 

    就这样,他很乐意共同从事解决这个问题,但是附有一个条件:他对于任何物理学的论断和解释都不承担责任。他查阅了文献并且很快发现,上面所提的数学问题早已专门由黎曼、里奇和勒维—契维塔解决了。全部发展是同高斯的曲面理论有关的,在这理论中第—次系统地使用了广义坐标系。黎曼的贡献最大。他指出如何从张量的场推导出二阶微分。由此可以看出,引力的场方程应该是怎么回事——假如要求对于一切广义的连续坐标变换群都是不变的。但是,要看出这个要求是正确的,可并不那么容易,尽管我相信已经找到了根据。这个思想虽然是错误的,却产生了结果,即这个理论在1916年终于以它的最后的形式出现了。

    当我和我的老朋友热情地共同工作的时候,我们谁也没有想到,一场小小的疾病竟会那么快地夺去这个优秀的人物。我需要在自己在世时至少再有一次机会来表达我对马尔赛耳.格罗斯曼的感激之情,这种必要性给了我写出这篇杂乱无章的自述的勇气。

     自从引力理论这项工作结束以来,到现在四十年过去了。这些岁月我几乎全部用来为了从引力场理论推广到一个可以构成整个物理学基础的场论而绞尽脑汁。有许多人向着同一个目标而工作着。许多充满希望的推广我后来一个个放弃了。但是最近十年终于找到一个在我看来是自然而又富有希望的理论。不过,我还是不能确信,我自己是否应当认为这个理论在物理学上是极有价值的,这是由于这个理论是以目前还不能克服的数学困难为基础的,而这种困难凡是应用任何非线性场论都会出现。

    此外,看来完全值得怀疑的是,一种场论是否能够解释物质的原子结构和辐射以及量子现象。大多数物理学家都是不加思索地用一个有把握的“否”字来回答,因为他们相信,量子问题在原则上要用另一类方法来解决。问题究竟怎样,使我想起莱辛的鼓舞人心的言词:“为寻求真理的努力所付出的代价,总是比不担风险地占有它要高昂得多。”

 

                                                       爱因斯坦写于1946年

 
爱因斯坦晚年时的人生回顾

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Re: 相对性原理应该继续贯彻下去!

Gravity-Yang-Mills-Higgs unification by enlarging the gauge group

We revisit an old idea that gravity can be unified with Yang-Mills theory by enlarging the gauge group of gravity formulated as gauge theory. Our starting point is an action that describes a generally covariant gauge theory for a group G. The Minkowski background breaks the gauge group by selecting in it a preferred gravitational SU(2) subgroup. We expand the action around this background and find the spectrum of linearized theory to consist of the usual gravitons plus Yang-Mills fields charged under the centralizer of the SU(2) in G. In addition, there is a set of Higgs fields that are charged both under the gravitational and Yang-Mills subgroups. These fields are generically massive and interact with both gravity and Yang-Mills sector in the standard way. The arising interaction of the Yang-Mills sector with gravity is also standard. Parameters such as the Yang-Mills coupling constant and Higgs mass arise from the potential function defining the theory. Both are realistic in the sense explained in the paper.
Comments:61 pages, no figures (v2) some typos corrected
Subjects:High Energy Physics - Theory (hep-th); General Relativity and Quantum Cosmology (gr-qc)
Journal reference: Phys.Rev.D81:085003,2010
DOI: 10.1103/PhysRevD.81.085003
Cite as: arXiv:0911.3793v2 [hep-th]

参考文献里都是最值得读的文章



Standard Model and Gravity from Spinors

We propose to unify the Gravity and Standard Model gauge groups by using algebraic spinors of the standard four-dimensional Clifford algebra, in left-right symmetric fashion. This generates exactly a Standard Model family of fermions, and a Pati-Salam unification group emerges, at the Planck scale, where (chiral) self-dual gravity decouples. As a remnant of the unification, isospin-triplets spin-two particles may naturally appear at the weak scale, providing a striking signal at the LHC.
Comments:7 pages, added clarifications
Subjects:High Energy Physics - Theory (hep-th)
Cite as: arXiv:0706.3304v2 [hep-th]




Mixing internal and spacetime transformations: some examples and counterexamples

This note addresses the question whether in a gauge theory coupled to gravity internal and spacetime transformation can be mixed. It is shown that if the VEV of the gauge field is flat, the symmetry group is always a product of internal and spacetime symmetries. On the other hand, if the VEV of the gauge field is not flat it is impossible to properly define the notion of a ``spacetime'' transformation; as a consequence, if the symmetry group is nontrivial, mixing generically occurs.
Comments:Plain TEX, 6 pages
Subjects:High Energy Physics - Theory (hep-th)
Journal reference: J.Phys.A41:335403,2008
DOI: 10.1088/1751-8113/41/33/335403
Cite as: arXiv:0803.0303v1 [hep-th]




在 2011年9月27日 下午5:38,王雄 <wangxiong8686@gmail.com>写道:
事实上,这一原理应该继续贯彻下去!
 
物理规律不依赖于任何观察者的运动状态!
 
即便是所谓的从惯性系推广到非惯性系,这个推广还是没有彻底,应该考虑进任意的坐标变换,包括不可微分的坐标变换。
 
如果这种更彻底的相对论能够直接导出量子的所有结论,那将是爱因斯坦最愿看到的局面,我将为上帝感到荣幸!
 
 
爱因斯坦
1939年
1895年,我在即未入学也无教师的情况下,跟我父亲在米兰度过一年之后,我这个十六岁的青年人从意大利来到苏黎世我的目的是要上联邦大学,可是一点也不知道怎样才能达到这个目的。我是一个执意的而又有自知之明的年轻人,我的那一点零散的有关知识主要是靠自学得来的。热衷于深入理解,但很少去背诵,加以记忆力又不强,所以我觉得上大学学习决不是一件轻松的事。怀着一种根本没有把握的心情,我报名参加工程系的人学考试。这次考试可悲地显示了我过去所受的教育的残缺不全,尽管主持考试的人既有耐心又富有同情心。我认为我的失败是完全应该的。然而可以自慰的是,物理学家韦伯让人告诉我,如果我留在苏黎世,可以去听他的课。但是校长阿耳宾?赫尔措格教授却推荐我到阿劳州立中学上学,我可以在那里学习一年来补齐功课。这个学校以它的自由精神和那些毫不仰赖外界权威的教师们的纯朴热情给我留下了难忘的印象;同我在一个处处使人感到受权威指导的德国中学的六年学习相对比,使我深切地感到,自由行动和自我负责的教育,比起那种依赖训练、外界权威和追求名利的教育来,是多么的优越呀。真正的民主决不是虚幻的空想。
在阿劳这一年中,我想到这样一个问题:倘使一个人以光速跟着光波跑,那末他就处在一个不随时间而改变的波场之中。但看来不会有这种事情!这是同狭义相对论有关的第一个朴素的理想实验。狭义相对论这一发现决不是逻辑思维的成就,尽管最终的结果同逻辑形式有关。
1896——1900 年在〔苏黎世〕工业大学的师范系学习。我很快发现,我能成为一个有中等成绩的学生也就该心满意足了。要做一个好学生,必须有能力去很轻快地理解所学习的东西;要心甘情愿地把精力完全集中于人们所教给你的那些东西上;要遵守秩序,把课堂上讲解的东西笔记下来,然后自觉地做好作业。遗憾的是,我发现这一切特性正是我最为欠缺的。于是我逐渐学会抱着某种负疚的心情自由自在地生活,安排自己去学习那些适合于我的求知欲和兴趣的东西。我以极大的兴趣去听某些课。但是我“刷掉了”很多课程,而以极大的热忱在家里向理论物理学的大师们学习。这样做是好的,并且显著地减轻了我的负疚心情,从而使我心境的平衡终于没有受到剧烈的扰乱。这种广泛的自学不过是原有习惯的继续;有 一位塞尔维亚的女同学参加了这件事,她就是米列娃?玛里奇,后来我同她结了婚。可是我热情而又努力地在韦伯教授的物理实验室里工作。盖塞教授关于微分几何的讲授也吸引了我,这是数学艺术的真正杰作,在我后来为建立广义相对论的努力帮了我很大的忙。不过在这些学习的年代,高等数学并未引起我很大的兴趣。我错误地认为,这是一个有那么多分支的领域,一个人在它的任何一个部门中都很容易消耗掉他的全部精力。而且由于我的无知,我还以为对于一个物理学家来说,只要明晰地掌握了数学的基本概念以备应用,也就够了;而其余的东西,对于物理学家来说,不过是不会有什么结果的枝节问题。这是一个我后来才很难过地发现到的错误。我的数学才能显然还不足以使我能够把中心的和基本的内容同那些没有原则重要性的表面部分区分开来。
在这些学习年代里,我同一个同学马尔塞耳?格罗斯曼建立了真正的友谊。每个星期我总同他去一次里马特河口的“都会”咖啡店,在那里,我同他不仅谈论学习,也谈论着睁着大眼的年轻人所感兴趣的一切。他不是象我这样一种流浪汉和离经叛道的怪人,而是一个浸透了瑞士风格同时又一点也没有丧失掉内心自主性的人。此外,他正好具有许多我所欠缺的才能:敏捷的理解能力,处理任何事情都井井有条。他不仅学习同我们有关的课程,而目,学习得如此出色,以致人们看到他的笔记本都自叹不及。在准备考试时他把这些笔记本借给我,这对我来说,就象救命的锚;我怎么也不能设想,要是没有这些笔记本,我将会怎样。
虽然有了这种不可估量的帮助,尽管摆在我们面前的课程本身都是有意义的,可是我仍要花费很大的力气才能基本上学会这些东西。对于象我这样爱好沉思的人来说,大学教育并不总是有益的。无论多好的食物强迫吃下去,总有一天会把胃口和肚子搞坏的。纯真的好奇心的火花会渐渐地熄灭。幸运的是,对我来说,这种智力的低落在我学习年代的幸福结束之后只持续了一年。
马尔塞耳?格罗斯曼作为我的朋友给我最大的帮助是这样一件事:在我毕业后大约一年左右,他通过他的父亲把我介绍给瑞士专利局(当时还叫做“精神财产局”)局长弗里德里希?哈勒。经过一次详尽的口试之后,哈勒先生把我安置在那儿了。这样的最富有创造性活动的1902-1909这几年当中,我就不用为生活而操心了。即使完全不提这一点,明确规定技术专利权的工作,对我来说也是一种真正的幸福。它迫使你从事多方面的思考,它对物理的思索也有重大的激励作用。总之,对于我这样的人,一种实际工作的职业就是一种绝大的幸福。因为学院生活会把一个年轻人置于这样一种被动的地位:不得不去写大量科学论文——结果是趋于浅薄,这只有那些具有坚强愈志的人才能顶得住。然而大多数实际工作却完全不是这样,一个具有普通才能的人就能够完成人们所期待于他的工作。作为一个平民,他的日常的生活并不靠特殊的智慧。如果他对科学深感兴趣,他就可以在他的本职工作之外埋头研究他所爱好的问题。他不必担心他的努力会毫无成果。我感谢马尔塞耳?格罗斯曼给我找到这么幸运的职位。
关于在伯尔尼的那些愉快的年代里的科学生涯,在这里我只谈一件事,它显示出我这一生中最富有成果的思想。狭义相对论问世已有好几年。相对性原理是不是只局限于惯性系(即彼此相对作匀速运动的坐标系)呢?形式的直觉回答说:“大概不!”然而,直到那时为止的全部力学的基础——惯性原理——看来却不允许把相对性原理作任何推广。如果一个人实际上处于一个(相对于惯性系)加速运动的坐标系中,那末一个“孤立”质点的运动相对于这个人就不是沿着直线而匀速的。从窒息人的思维习惯中解放出来的人立即会问:这种行为能不能给我提供一个办法去分辩一个惯性系和一个非惯性系呢,他一定(至少是在直线等加速运动的情况下)会断定说:事情并如此。因为人们也可以把相对于一个这样加速运动的坐标系的那种物体的力学行为解释为引力场作用的结果这件事之所以可能,是由于这样的经验事实:在引力场中,各个物体的加速度同这些物体的性质无关,总都是相同的。这种知识(等效原理)不仅有可能使得自然规律对于一个普遍的变换群,正如对于洛伦兹变换群那样,必须是不变的(相对性原理的推广),而且也有可能使得这种推广导致一个深入的引力理论。这种思想在原则上是正确的,对此我没有丝毫怀疑。但是,要把他贯彻到底,看来有几乎无法克服的困难。首先,产生了一个初步考虑:向一个更广义的变换群过度,同那个开辟了狭义相对论道路的时空坐标系的直接物理解释不相容。其次,暂时还不能预见到怎样去选择推广的变换群。实际上,我在等效原理这个问题上走过弯路,这里就不必提它了。
1909——1912年,当我在苏黎世以及布拉格大学讲授理论物理学的时候,我不断地思考这个问题。1912 年,当我被聘请到苏黎世工业大学任教时,我已很接近于解决这个问题了。在这里,海尔曼?明可夫斯基关于狭义相对论形式基础的分析显得很重要。这种分析归结为这样一条定理:四维空间有一个(不变的)准欧几里得度规;它决定着实验上可证实的空间度规特性和惯性原理,从而又决定着洛伦兹不变的方程组的形式。在这个空间中有一种特殊的坐标系,即准笛卡儿坐标系,它在这里是唯一“自然的”坐标系(惯性系)。
等效原理使我们在这样的空间中引进非线性坐标变换,也就是非笛卡儿 “曲线”坐标。这种准欧几里得度规因而具有普逼的形式:

关于下标 和 从1到4累加起来。这些 是四个坐标的函数,根据等效原理,它们除了度规之外也描述引力场。后者在这里是同任何特性无关的。因为可以通过变换取

这样的特殊形式,这是要求一种 同坐标无关的形式。在这种情况下,用 来描述的引力场就可以被“变换掉”。一个孤立物体的惯性行为在上述特殊形式中就表现为一条(类时)直线。在普通的形式中,同这种行为相对的则是“短程线”。
这里陈述方式固然还是只涉及准欧几里得空间的情况,但它也指明了如何达到一般的引力场的道路。在这里,引力场还是用一种度规,即用一个对称张量场 来描述的。因此,进一步的推广就仅仅在于如何满足这样的要求:这个场通过一种单纯的坐标变换而能成为准欧几里得的。
这样,引力问题就归结为一个纯数学的问题了。对于 来说是否存在着一个对非线性坐标变换能保持不变的微分方程呢?这样的微分方程而且只有这样的微分方程才能是引力场的场方程。后来,质点的运动定律就是由短程线的方程来规定的。
我头脑中带着这个问题,于1912年去找我的老同学马尔塞耳?格罗斯曼,那时他是〔苏黎世〕工业大学的数学教授。这立即引起他的兴趣,虽然作为一个纯数学家他对于物理学抱有一些怀疑的态度。当我们都还是大学生时,当我们在咖啡店里以习惯的方式相互交流思想时,他有一次曾经说过这样一句非常悄皮而又具有特色的话(我不能不在这里引用这句话):“我承认,我从学习物理当中也得到了某些实际的好处。当我从前坐在椅子上感觉到在我以前坐过这椅子的人所发出的热时,我总有点不舒服。但现在已经没有这种事了,因为物理学告诉我,热是某种非个人的东西。”
就这样,他很乐意共同从事解决这个问题,但是附有一个条件:他对于任何物理学的论断和解释都不承但责任。他查阅了文献,并且很快发现,上面所提到的数学问题早已专门由黎曼、里奇和勒维-契维塔解决了。全部发展是同高斯的曲面理论有关的,在这理论中第一次系统地使用了广义坐标系。黎曼的贡献最大。他指出如何从张量 的场推导出二阶微分。由此可以看出,引力的场方程应该是怎么回事——假如要求对于一切广义的连续坐标变换群都是不变的。但是,要看出这个要求是正确的,可并不那么容易,尽管我相信已经找到了根据。这个思想虽然是错误的,却产生了结果,即这个理论在 1916 年终于以它的最后的形式出现了。
当我和我的老朋友热情地共同工作的时候,我们谁也没有想到,一场小小的疾病竟会那么快地夺去这个优秀的人物。我需要在自己在世时至少再有二次机会来表达我对马尔赛耳?格罗斯曼的感激之情,这种必要性给了我写出这篇杂乱无章的自述的勇气。
自从引力理论这项工作结束以来,到现在四十年过去了。这些岁月我几乎全部用来为了从引力场理论推广到一个可以构成整个物理学基础的场论而绞尽脑汁。有许多人向着同一个目标而工作着。许多充满希望的推广我后来一个个放弃了。但是最近十年终于找到一个在我看来是自然而又富有希望的理论。不过,我还是不能确信,我自己是否应当认为这个理论在物理学上是极有价值的,这是由于这个理论是以目前还不能克服的数学困难为基础的,而这种困难凡是应用任何非线性场论都会出现。
 
此外,看来完全值得怀疑的是,一种场论是否能够解释物质的原子结构和辐射以及量子现象。大多数物理学家都是不加思索地用一个有把握的“否”字来回答,因为他们相信,量子问题在原则上要用另一类方法来解决。问题究竟怎样,我们想起莱辛的鼓舞人心的言词:为寻求真理的努力所付出的代价,总是比不担风险地占有它要高昂得多。

Wednesday, December 14, 2011

Mystery and Beauty of Attractors



Speaker:
Mr. Wang, Xiong

Title:
Mystery and Beauty of Attractors


Time & Place:
Thu, 15. of Dec. 2011, 11 - 12 am
G-6501, coffee room of the EE department (lift 7), free drinks :-)



Abstract:
First through playing a game, the basic concepts of dynamical system theory such as state space, evolution rule, attractor  will be introduced. Various kinds of application in different disciplines from Nash equilibrium in economics to PageRank of WWW are briefly discussed. Then, different kinds of possible attractor of a dynamic system will be shown, from point attractor, torus attractor, periodic attractor to strange attractor. Finally, some beautiful strange attractors will be illustrated.

About the Speaker:
Xiong Wang has obtained his B.Sc. in math from the Shanghai Jiao Tong University. Currently, he is a PhD student at City University Hong Kong at the Centre for Chaos and Complex Networks located at the EE department. His research interests are chaos, fractal and fundamental questions of nonlinear science.