少年能学会相对论吗？当然！ | 周末读书
中科院物理所曹则贤研究员又出新书啦！在《相对论-少年版》付梓印刷之际，特推出留言赠书活动，想获得该书的读者可以在后台留言，写下您的期待与体会，留言点赞前5名的读者将获得一本作者亲笔签名赠书哦。截止时间是5月4日早8点，10点会公布5位获奖者名单。期待您的参与！
内容简介：《相对论-少年版》，科学出版社2020年4月出版，由中国科学院物理研究所曹则贤撰写，系作者2017年所著《量子力学-少年版》一书的姊妹篇。该书是作者为自家的少年撰写的一本相对论入门书。全书共15 章，按照朴素相对论、伽利略相对论、狭义相对论、广义相对论和整体相对论的顺序，以相对性思想的历史演化为线索，详细介绍了相对论所应包含的数学、物理和哲学内容。本书的一个重要特点是，它尽可能多地收录了相对论的原始文献和重要著作，强调相对论创立过程的细节。此外，本书是一本严肃的书，它还提供了修习相对论所需要的关键数学基础，尽可能多地包含相对论的数学公式，此外还包括相对论关键人物与事件以及爱因斯坦的相对论著作目录。本书适合中学生以上各智识阶层人士阅读。读者可根据个人数理基础和喜好选择合适的阅读策略。
推荐理由：相对论的发展是一个长达300余年的思想过程，在爱因斯坦1915年奠立广义相对论的那一刻达到了顶峰。相对论是纯粹理性思维的胜利，是物理现实的内在和谐与数学表达的形式美学之间完美的相互激励，是严谨的日耳曼文化与浪漫的拉丁文化的灿烂结晶。物理规律的变换不换性是相对论的核心思想。沿着朴素相对论、伽利略相对论经由狭义相对论抵达广义相对论，这一条绵密的思想河流上有激动人心的关于物理学创造的历史画卷。《相对论-少年版》一书为我们展示了这一画卷的深刻与动人之处。
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少年能学会相对论吗？当然！
少年能学会相对论吗？这话问的，当然能! 你不信？好吧，为了说服你，我将采取唯一正确的姿势和你交流—用实例说话。
1918年秋，德国南部城市慕尼黑，Ludwig-Maximilians-Universität München, 就是俗称的慕尼黑大学，迎来了一位出生于1900年4月25日的奥地利少年。这位少年的模样, 形象地诠释了卦书上所谓的“天庭饱满、地阁方圆”。少年姓泡利(Wolfgang Ernst Pauli)，生父为化学家，中间名Ernst得自其教父Ernst Mach (1838-1916), 也就是说此少年的教父是欧洲闻名的大哲学家、物理学家、维也纳大学生理学教授马赫。维也纳大学很厉害吗？在维也纳圈子(Vienna circle) 里，动摇了数学确定性的哥德尔(Kurt Gödel, 1906-1978)那样的顶级学者都是论堆儿的, 摄氏温度定义中的所谓标准大气压那是人家维也纳夏天的气压！马赫何许人也？其新表述的力学原理挑翻牛顿的三定律表述(不知道？读读Herbert Goldstein的经典力学找找感觉)，爱因斯坦自述其相对论思想深受马赫哲学的影响而人家马赫都不接这个茬，马赫逼问玻尔兹曼的一句话“您见过原子吗 (Haben Sie mal Atom gesehen)” 据说是玻尔兹曼这位统计物理奠基人抑郁以至于1906年自杀的诱因。对了，他就是高超音速武器速度为多少马赫的那个马赫。马赫教过小泡利多少物理不得而知，反正小泡利上中学时就认识了不少物理学家。当泡利1918年从维也纳多布林中学毕业时，就提交了题为“论引力场的能量分量”的论文，1919年正式发表 (W. Pauli Jr., Über die Energiekomponenten des Gravitationsfeldes, Physikalische Zeitschrift 20, 25(1919))。这篇论文研究的可是广义相对论的课题，足以奠定一个人顶级物理学家的地位。当小泡利进入慕尼黑大学物理系师从索末菲—一个大师的大老师 (MacTutor of maestros, 即那种学生几乎都是大师的老师)—要学物理时，索末菲对他青眼有加。索末菲，一个物理明白人，对他说：“你早已经是物理学家的水平了，还学啥呀？但是，我们大学有规定，学生只有入学六个学期后才能申请博士学位，你不能在我这儿干坐六个学期啊! 这样吧，数学科学百科全书让我写相对论条目，你是专家，这活就交给你吧。”(大意) 于是乎，1920年的泡利大约就是在忙乎这事。1921年，泡利在第六个学期，也就是我们一般人上完大三的时候，以关于氢分子的量子力学研究获得博士学位。两个月后，这篇相对论综述文章刊行，洋洋洒洒237页 (Relativitätstheorie, Encyklopädie der Mathematischen Wissenschaften Vol.19, Teubner, 1921)，至今依然是相对论的经典文献。欧洲的物理大拿们的反应是，难以相信这篇构思宏伟的经典是一个21岁的小青年写的( No one studying this mature, grandly conceived work would believe that the author is a man of twenty-one). 泡利28岁成了苏黎世联邦理工学院(ETH)的理论物理教授，预言了中微子的存在，以不相容原理获得诺奖，那是后话了。
图1. 泡利和他的相对论综述的目录
一个例子似乎说服力不够，那我们再来说说一位英国少年。狄拉克 (P.A.M. Dirac，1902-1984)，1902年8月8日出生于英国布里斯托。1919年，爱因斯坦的相对论突然进入了英国公众的视线，英国人戴逊(Frank Watson Dyson, 1868-1939) 和爱丁顿 (Arthur Eddington, 1882-1944) 宣称通过测量日蚀时远处恒星光线的偏折证实了爱因斯坦的引力引起空间弯曲的预言，整个欧洲轰动了。相对论给人们带来了全新的思考。那一年，17岁的狄拉克是布里斯托大学工程系的二年级学生，相对论让他跟着大伙儿一块儿激动。相对论激发了狄拉克关于时间与空间的思考，从此以后狄拉克热心于相对论的学习。1920-1921之间，他上了一个哲学教授关于相对论的课。哲学教授讲相对论，除了说一切都是相对的，就没了(好熟悉的情景呃！100年后一点儿没变)。真正让他熟悉一些相对论内容的是爱丁顿1920年出版的畅销书Space, Time and Gravitation (空间、时间与引力)。到1921年，狄拉克就已经掌握了狭义、广义相对论及其数学之大部。1923年，狄拉克拿到奖学金进入剑桥大学的圣约翰学院，师从福勒(Ralph Fowler，1889-1944) 钻研广义相对论并进入新生的量子力学领域。仅仅是到了1928年，26岁的狄拉克就写出了电子能量的相对论形式，构造出了相对论性量子力学方程，即狄拉克方程，一鸣惊人。相对论，量子力学，那可是近代物理的两大支柱啊，而接触相对论仅仅7年的、26岁的狄拉克竟然写出了相-对-论-量-子-力-学方程！狄拉克方程解释了电子自旋的来源，还导致了反粒子的预言。狄拉克于1933年获诺贝尔物理奖，此前于1932年成为剑桥大学卢卡斯教席数学教授—卢卡斯教席，那可是牛顿坐过的位置。虽然人们熟知狄拉克是量子力学奠基人之一，但是相对论一直是他的研究领域。在上世纪五十年代，狄拉克运用哈密顿方法把广义相对论改造成哈密顿形式，开启了引力的量子化。他的著作General Theory of Relativity (广义相对论) 和The Principles of Quantum Mechanics (量子力学原理)，被杨振宁先生形容为“秋水文章不染尘” ！
图2. 狄拉克和狄拉克方程
这两位物理学巨擘，泡利和狄拉克，不仅在少年时就学会了相对论，而且还会运用相对论。他们都是量子力学的奠基人，相对论的功底以及对相对论的贡献也可圈可点。他们之所以能到达如此的高度，重要的一点是在岁数更小的少年时期(应该是十三、四岁吧)真正地学会了真正的数学。所谓的the full command of the tools of mathematical physics (完全掌握了数学物理的工具)，才是成为物理学家的不二法门。注意，我说的数学是真正的数学，不是你家少年在教科书或辅导班上学到的那种数学，甚至都不是你家少年在这儿的数学系学到的数学。它大体上应该包括算术、代数、数论、微积分、变分法、数理方程、线性代数、实变函数、复变函数、复分析、傅里叶分析、泛函分析、群论、拓扑、微分几何、张量分析等入门级数学。
回到我们的问题，少年能学会相对论吗？当然能！
顺便说一句，今天是2018年3月2日，距离狭义相对论创立113年，广义相对论创立103年。百余年前别人家的少年都能对相对论做出贡献，而我，一个少年时从未听说过相对论现在对相对论也不甚了了但却是物理学教授的人，今天却要费尽口舌去讨论少年能不能学会相对论，除了无奈以外，我是不是还可以觉得有点丢人？
少年， 你能学会相对论的，相信我。呃，不对，相信你自己！
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