问题

如何看待复旦大学金晓峰教授推崇狭义相对论代表者是庞加莱先生而不是爱因斯坦?

回答
复旦大学金晓峰教授提出“狭义相对论的代表者是庞加莱而非爱因斯坦”的观点,在学术界引起了不小的关注和讨论。要理解这个观点,我们需要深入探讨一下历史背景、科学贡献以及不同学者的解读。

首先,我们得明确一点,科学史上的某些重要发现,往往不是由一位科学家“一蹴而就”的,而是经过前人积累、多位科学家接力完成的。狭义相对论的提出也是如此。

庞加莱的贡献:为相对论铺平道路

亨利·庞加莱(Henri Poincaré)是法国著名的数学家、物理学家和哲学家,他在19世纪末20世纪初对物理学做出了诸多重要贡献。在狭义相对论诞生之前,庞加莱已经独立地、在不同程度上触及了相对论的核心思想。

洛伦兹变换的推广和系统化: 到了19世纪末,迈克尔逊莫雷实验否定了以太的存在,这给当时的物理学带来了巨大的困扰。荷兰物理学家洛伦兹(Hendrik Lorentz)为了解释这个实验结果,提出了一套数学变换(洛伦兹变换),用来描述在惯性系之间的长度收缩和时间膨胀现象,并认为这是由于光以太引起的。然而,洛伦兹的解释是基于以太理论的,他并没有将其提升到一个普适的物理原理的高度。庞加莱在1905年(与爱因斯坦发表狭义相对论同年)的一篇论文中,对洛伦兹变换进行了更深刻的数学分析和推广。他认识到这个变换具有普遍性,并将其应用到电动力学中,指出它似乎是一种“自然规律”,一种“不变量原理”。他甚至在论文中写道:“如果我们遵循洛伦兹的观点,这会给我们一个非常有趣的系统。” 他的工作,可以说是对洛伦兹变换的“哲学化”和“理论化”的初步尝试。

“相对性原理”的提出: 庞加莱在探讨洛伦兹变换时,已经隐约触及了“相对性原理”的核心思想。他提到,物理定律在所有惯性参考系中应该具有相同的形式,无论观察者是否在“以太”中运动。虽然他的表述方式和爱因斯坦的公理化表述有所不同,但他已经看到了一个超越了牛顿力学框架的普适性原理。

对时空的初步认识: 庞加莱对时间和空间的看法也发生了转变。他开始思考“时空”的统一性,并对时间是否是绝对的产生了质疑。他曾设想,如果我们无法感知以太的运动,那么对于我们来说,相对运动就是绝对的。这与爱因斯坦的观点有了惊人的相似之处。

爱因斯坦的突破:建立公理化的狭义相对论

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在1905年发表了题为《论运动物体的电动力学》的划时代论文,这篇论文系统地提出了狭义相对论。爱因斯坦的贡献在于:

提出两个基本公理: 爱因斯坦没有像洛伦兹那样试图挽救以太理论,而是基于对现有物理学矛盾的深刻洞察,提出了两个基本公理:
1. 相对性原理: 物理定律(在所有惯性参考系中)应具有相同的形式。
2. 光速不变原理: 在所有惯性参考系中,真空中的光速是恒定的,与光源的运动无关。
这两个公理看似简单,却具有革命性的意义。它们直接否定了牛顿力学中绝对时空的概念,以及以太的存在。

革命性的时空观: 基于这两个公理,爱因斯坦推导出了洛伦兹变换,并将其视为描述时空关系的数学工具。他将时间和空间统一起来,提出了“时空”的概念,认为时间并非独立于空间而存在,而是与空间紧密联系,形成一个四维的统一体。这种全新的时空观是相对论最核心的突破。

质能方程 E=mc²: 相对论还推导出了著名的质能方程 E=mc²,揭示了质量和能量之间的深刻联系,为后来的核能利用奠定了理论基础。

金晓峰教授的观点:为什么是庞加莱?

金晓峰教授强调庞加莱的贡献,其核心观点可能在于:

1. 思想的“预见性”和“启发性”: 金晓峰教授可能认为,庞加莱在爱因斯坦之前已经独立地、甚至在某些方面更深刻地触及了相对论的核心思想。庞加莱对洛伦兹变换的系统化、对相对性原理的隐约提出,以及对时空的初步思考,都显示了他超前的洞察力。从某种意义上说,庞加莱“看到了”相对论的雏形,为爱因斯坦的最终建立提供了重要的思想基础和工具。

2. 科学发现的“历史连续性”: 许多科学史家认为,科学的发展是一个渐进的过程,重大发现往往是前人研究的积累和升华。金晓峰教授的观点可能是在强调这一点:不能将科学成就完全归功于某一个人,而应看到思想发展的历史脉络。庞加莱的工作,在某种程度上是“第一个吃螃蟹的人”,他的思想萌芽是不可忽视的。

3. 对“谁是代表者”的重新定义: “代表者”不仅仅是那个给出最终公理化体系的人,也可以是那个最先提出关键思想、最先进行深入分析、从而引领了方向的人。金晓峰教授可能倾向于将“代表者”的定义更拓宽一些,更看重思想的原创性和前瞻性。

一些需要注意的方面:

公理化体系的严谨性: 尽管庞加莱提出了许多重要的思想,但他最终并没有像爱因斯坦那样,建立一个完整、严谨、公理化的狭义相对论体系。爱因斯坦的公理化表述,将相对性原理和光速不变原理提升到基础原理的高度,并且以此为出发点,系统地推导出了相对论的各个方面。这无疑是科学上一个伟大的、具有终结性的贡献。

“独立发现”与“思想继承”的界定: 在科学史研究中,如何界定“独立发现”和“思想继承”一直是讨论的焦点。庞加莱和爱因斯坦的工作时间非常接近,彼此之间是否存在直接的相互影响,或者说是思想上的“不谋而合”,这是一个复杂的问题。一些研究认为爱因斯坦可能受到过庞加莱当时已经公开发表或流传的思想的启发,而另一些则认为他们是基于相似的物理困境和数学工具,独立地走向了相似的结论。

历史叙事的选择: 科学史的叙述往往带有一定的主观性,不同的研究者可能会根据自己的侧重点,选择强调不同的历史线索。金晓峰教授的观点,或许是在试图纠正一种过于简单化或过度集中于爱因斯坦个人天才的叙事。

总结

金晓峰教授提出“狭义相对论的代表者是庞加莱而非爱因斯坦”的观点,并不是要否认爱因斯坦在狭义相对论中的伟大贡献,而是希望更全面地审视科学发现的历史进程,并强调庞加莱在其中扮演的关键角色。庞加莱的数学洞察力和哲学思考,为狭义相对论的诞生铺平了道路,甚至可以说是“预言”了相对论的某些核心思想。

可以这样理解:如果说爱因斯坦是那位将一栋宏伟建筑“设计并建造完成”的建筑师,那么庞加莱则是在设计图纸出现之前,就先行勘察了地形,绘制了部分基础结构草图,并提出了关键的结构设计理念的先驱。他的工作,让整个建筑的建造变得更加可能和方向明确。

这种观点,鼓励我们以更开放、更细致的视角去回顾科学史,理解伟大的科学思想是如何在不同的头脑中孕育、发展和最终成熟的。科学的进步,从来都不是孤立的,而是前人智慧的传递和突破。

网友意见

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阿诺德原理(Arnold's Principle):以某人名字命名的定理不是此人发明的,本条”阿诺德原理“也适用。题主不用太担心【实事求是】的问题。

教科书总得按某种写法呈现,而无法把定理出现的历史背景都交代出来。好像也鲜有缺少某人,某条定理就不会被发现、创造出来的情况:也许,时势和英雄交互伴生。

金教授至少没说希尔伯特先得出了广义相对论场方程。

然后,Clifford(就是克利福德代数那位)早于广义相对论50年就写了一本书, On the space theory of matter ,其中他提出能量和物质都是时空弯曲的一个侧面。是不是今人觉得他更像一个穿越的存在?

理论的发展历史总是很复杂的,许多伟大的灵感交织汇聚到一起。

但无论如何,爱因斯坦是最伟大的那几位英雄之一。广义相对论也大约是最少群体智慧属性,最个人英雄主义的理论之一吧。

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庞加莱:我的贡献太多了,不缺这个。

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大众惊讶于庞加莱的贡献这件事本身这暴露了公众对于科学发展的错误认知。

即公众认为某种理论的创造者必然完全的原创“天不生此人,万古如长夜”。

由于人民群众朴素的造神仪式,和吹神需求,总是习惯把某个理论归于特定某个人,不只是方便记忆,也方便吹牛造神,搞戏剧化。

但是,这偏离了科学发展的基本事实:没有人是神,所有伟大的“发现者”都是直接或者间接站在巨人的肩膀上。

我给学生上数学分析的时候会习惯问他们是不是牛顿和莱布尼茨搞出了微积分,有些回答是,有些警觉一点,知道这是个坑。然后,我会慢慢告诉他们微积分的发展历史,讲了一会儿之后,有些同学都怀疑:牛顿到底做什么?

因为在现实的历史中,积分、极限和微分都是早于牛顿的诞生的,这几个概念不是他一个人造出来的,他最重要的贡献是沟通了微分和积分这两个概念---也就是“微积分基本定理”还有就是系统化地计算微分积分以及符合运算。就微分积分互为逆运算这点,他的导师Isaac Barrow也产生了:虽然只是针对几何问题, 但是他确实证明了几何上的微积分基本定理,而同时代的莱布尼茨不只是针对微积分基本定理,也发展了一套系统化运算微积分的工具。当然了,我并不是在说牛顿欺世盗名,他也的确是人类历史上最重要的数学家,不过,我希望让学生理解一个基本事实:

没人可以超越时代,科研就是这样一点点往前拱,要理性地看待科学发展。

不管是牛顿也好,莱布尼茨也好,他们的研究都是建立在通读了前人的基础上,而不是像某些网络民科动不动打倒物理体系,打倒xx体系这种。

回到爱因斯坦,你会发现广义相对论上有一个叫希尔伯特的数学家贡献不少,很少人知道希尔伯特在这个问题上的贡献。但是,不管是庞加莱也好,希尔伯特也罢,他们的物理解释都没有触及核心,而爱因斯坦触及核心了。

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杨振宁先生在给《我的世界观》(爱因斯坦 著)中文译本的前言对此有过精辟的阐述。

全文可见: mp.weixin.qq.com/s/zOmE

摘录其中的主要结论:

这就是说,洛伦兹有数学,但没有物理学;庞加莱有哲学,但也没有物理学。正是 26 岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的原始观念,坚持同时性是相对的,才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。

几乎今天所有的物理学家都同意是爱因斯坦创建了狭义相对论。这对庞加莱和洛伦兹是否公平?要讨论这个问题,让我们先引用怀特海 (A. N. Whitehead, 1861―1947) 的话:

科学的历史告诉我们:非常接近真理和真正懂得它的意义是两回事。每一个重要的理论都被它的发现者之前的人说过。 (见:The Organization of Thought, Westport CT: Greenwood Press, 1974, p.127)

洛伦兹和庞加莱都没有抓住那个时代的机遇。他们致力于当时最重要的问题之一,即运动系统中的电动力学。可是他们都错失其重点,因为他们死守着旧观念,正如洛伦兹自己后来所说的一样。爱因斯坦没有错失重点是因为他对于时空有更自由的眼光


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庞加莱确实做了许多狭义相对论的基础工作,包括提出同时性问题(1898)、相对性原理(1904),构建了洛伦兹群(1905)。但是一来他的工作主要集中在数学形式,物理上并不清晰(当时可没有多少物理学家懂群论),爱因斯坦的工作在物理上集大成,而且号称中学生都能看懂。二来他反对经典力学并不是那么决绝,认为狭义相对论里面的一些结论并不合理,不像爱因斯坦把观念颠覆得那么彻底,1905年以后物理学界对于狭义相对论的质疑基本都是爱因斯坦扛的。而且,爱因斯坦应该只读过庞加莱在1902年的著作,之后的工作可以说是他一人独立做出的,况且他1905年关于电动力学的论文发表在庞加莱之前。所以说爱因斯坦是狭义相对论的创立者无可厚非,这也并不是否认庞加莱的历史功绩。

物理学史上类似的事情有很多,比如泡利是量子规范场论的先行者,但他关于非阿贝尔规范场论的工作没敢发表,杨振宁和米尔斯发表了,所以现在人们提到规范场论的时候先想到的还是杨&米尔斯。历史机缘巧合也有一定的影响,比如安德森和南部阳一郎是规范对称性自发破缺理论的先行者,但后来恩格勒、布绕特、希格斯等人把这一理论具体应用于基本粒子的质量起源,而且希格斯的论文得到了温伯格的引用,所以现在人们谈起质量起源首先想到的是希格斯而不是安德森他们。




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