三個人的物理

前言

仰望物理學的星空，群星璀璨，光彩奪目。其中最亮的明星有三顆：他們就是伽利略、牛頓、愛因斯坦。這是舉世公認的三位科學巨人，他們的偉大發(fā)現(xiàn)和杰出貢獻，標志著物理學發(fā)展的重要里程碑，也是人類科學史上的三座巍峨高峰。伽利略是近代科學之父，被公認為實驗自然科學的創(chuàng)始人。伽利略是第一個用望遠鏡觀測天體的人，為人類揭開了宇宙的神秘面紗。他證明和宣傳哥白尼的日心說，從根本上動搖了教會維護的托勒密體系，導致了天文學的革命。人們稱他為“天空的哥倫布”。伽利略還開辟了經(jīng)典力學和實驗物理學的先河，他顛覆了物理學上統(tǒng)治數(shù)百年的亞里士多德的偏見，確立了自由落體定律，發(fā)現(xiàn)了物體的慣性定律、合力定律、拋物運動等規(guī)律。所有這些，對后來牛頓力學的建立，起到了重要的奠基作用。伽利略因此被譽為“近代物理學之父”。伽利略的科研成果為后世科學許多分支的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。一位法國科學家曾說：“在科學領(lǐng)域里我們都是伽利略的學生?！迸ｎD是經(jīng)典物理學的締造者，他的輝煌巨著《原理》從天上行星運行，到地上的潮汐漲落，宇宙萬物，無所不包。牛頓的偉大貢獻，正是把地上的運動規(guī)律和天體的運動規(guī)律納入一個完美的統(tǒng)一理論中，完成了人類知識的第一次大綜合。牛頓為后世留下的科學遺產(chǎn)，是不可估量的。他所創(chuàng)立的牛頓經(jīng)典力學體系影響世界達三百多年，至今仍在造福人類。自然的規(guī)律和人類的大部分生產(chǎn)活動，都受牛頓三大定律的支配。它對近代文明的進步起了不可估量的作用。大數(shù)學家拉普拉斯盛贊道：“《原理》將成為一座永垂不朽的深邃智慧的紀念碑，它向我們揭示了最偉大的宇宙定律，這部著作是高于人類一切其他思想產(chǎn)物之上的杰作，這個簡單而普遍的定律的發(fā)現(xiàn)，因為它囊括對象之巨大和多樣性，給予人類智慧以光榮?！睈垡蛩固故?0世紀最偉大的物理學家，舉世聞名的科學泰斗。他1905年創(chuàng)立的“狹義相對論”，首次提出了時間、空間與物質(zhì)三者之間的嶄新觀念，牛頓引力理論成了愛因斯坦相對論在低速時的一個特例。1915年，愛因斯坦在“廣義相對論”中，又用“彎曲空間”代替了牛頓的“重力”，讓宇宙的真面目顯露出來。相對論開創(chuàng)了物理學的新紀元，改變了整個人類對宇宙的認識?？茖W史家稱他“將牛頓物理學整個翻了過來”。諾貝爾物理學獎獲得者、著名華人科學家楊振寧在談到愛因斯坦的影響時，曾高度評價說：“在20世紀初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，這就是：狹義相對論(1905年)、廣義相對論(1915年)和量子力學(1925年)。前兩次革命是愛因斯坦本人發(fā)起的，他并且影響和幫助了第三次革命的形成?！边@三位巨人的偉大發(fā)現(xiàn)和杰出貢獻，深刻地改變了人類對宇宙的認識，也改變了世界文明史的面貌和進程，代表了人類智力的最高成就。讀一讀他們富有傳奇色彩的生平故事，會發(fā)現(xiàn)這三位巨人的科學探索是一脈相傳的。他們的事業(yè)前赴后繼，一浪推著一浪，一浪高過一浪，奏響了整個物理學發(fā)展的主旋律。三位巨人成功的道路各不相同，但他們身上有許多共同點。伽利略從小活潑好動，是個淘氣包，還特別喜歡和人辯論。愛因斯坦兒時卻是一只典型的“笨鳥”，三歲才學會說話。但他們有一個共同的地方，就是有強烈的求知欲，勤學好問。這引導他們走上了探索科學奧秘之路。再有，不墨守成規(guī)，也是一個重要的因素。像少年牛頓那樣在大風暴中跳來跳去測量風速的故事，可讓人產(chǎn)生許多聯(lián)想。除此之外，他們還有一個共同點，就是尊重前人的成果，但又從不迷信權(quán)威。牛頓有句名言：“如果說我比笛卡爾看得遠一點，那是因為我站在巨人的肩上。”這是對前輩的繼承，也是超越。愛因斯坦也有句名言：“牛頓啊，請原諒我!”那是一個青年后生敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)的豪言壯語。青少年朋友從本書中，不僅能夠分享三位巨人科學發(fā)現(xiàn)的喜悅，還能從他們奮斗的成功里得到有益的啟迪。伽利略為了追求科學理想，違背父親的意志，毅然從醫(yī)科跳槽到數(shù)學系。牛頓為了到劍橋大學求學，寧愿做一名“減費生”，給貴族學生或教師當仆人。愛因斯坦也是這樣，他研究相對論的歲月不是在大學，也不是研究所，而是在伯爾尼的專利局里當小職員的時候。用他的話說，就是只要有自由的科研時間，自己寧愿做一個“鞋匠”。這三位大師人格的魅力，也可敬可親，令人難以忘懷。伽利略不畏羅馬教廷的迫害堅持哥白尼學說的可貴精神，牛頓一生為尋求永恒真理的執(zhí)著，愛因斯坦的大智若愚(盛名不在牛頓之下，卻顯得很超脫)等等，為后世留下許多佳話。他們對大自然的熱愛，對探索科學真理的孜孜不倦，還有那種為公眾服務(wù)身體力行的高尚行為，也讓人感佩。法拉第在為少年兒童舉辦的科普講座《蠟燭的故事》中，曾說：“希望你們年輕的一代，也能像蠟燭為人照明那樣，有一分熱，發(fā)一分光，忠實而踏實地為人類偉大的事業(yè)貢獻自己的力量。”燃燒自己，把光明獻給人類一這種蠟燭精神正是三位巨人一生的寫照。風燭殘年的伽利略，在孤獨的幽禁生活中潛心整理自己畢生的實驗科學研究，完成了一生最重要的著作《關(guān)于兩門新科學的對話》。牛頓一生探索真理，為人類留下兩百多萬字手稿的科學遺產(chǎn)。愛因斯坦把獻身科學、為人類造?？醋饕粋€科學家的良心和職責。當獲知希特勒正在研制原子彈的危險信號時，他毅然簽署了給美國總統(tǒng)羅斯福的信，建議搶在德國之前采取應(yīng)對措施。正是這封信促使羅斯福下決心研制原子彈，這就是著名的“曼哈頓計劃”。但后來，當愛因斯坦聽到美國在廣島投下的原子彈奪走了20萬和平居民性命時，不禁從肺腑深處發(fā)出痛苦和絕望的呼叫：“唉!”法國著名作家羅曼·羅蘭寫過一部《巨人三傳》，謳歌的是三位藝術(shù)俊杰：貝多芬、米開朗基羅、托爾斯泰。羅曼·羅蘭把這三位偉大的天才稱作“英雄”。伽利略、牛頓、愛因斯坦這三位科學泰斗，稱他們?yōu)槿祟惖挠⑿郏彩钱斨疅o愧的。三位巨人追求真理的苦戀歷程，他們身上煥發(fā)出來的光彩，以及他們對世界文明產(chǎn)生的巨大影響，絲毫也不比羅曼·羅蘭筆下的貝多芬們遜色!松鷹2007年3月21日于成都兀嶺書房

內(nèi)容概要

　　《三個人的物理》講述了這三位科學巨人的傳奇人生。 仰望物理學的星空，群星璀璨，光彩奪目。其中最亮的明星有三顆：他們就是伽利略、牛頓、愛因斯坦。這是舉世公認的三位科學巨人，他們的偉大發(fā)現(xiàn)和杰出貢獻，標志著物理學發(fā)展的重要里程碑，也是人類科學史上的三座巍峨高峰。

作者簡介

松鷹，原名耿富祺，畢業(yè)于哈爾濱軍事工程學院電子工程系，國家一級作家。歷任《電子報》總編輯、成都市文聯(lián)副主席、成部電視臺副臺長，著有長篇小說《落紅蕭蕭》(合著，四川人民出版社)、《啊，哈軍工》(重慶出版社)、《白色漩渦》(花城出版社)三部，中篇小說《心之戀》、《瀘沽湖的誘惑》；人物傳記《四巨匠》、《富蘭克林》、《伽利略》、《愛因斯坦》、《法拉第》、《麥克斯韋》、《盧瑟?！?、《費米》、《電子科學發(fā)明家》等九部。其傳記作品曾榮獲首屆“中國青年優(yōu)秀圖書獎”、第六屆“冰心兒童圖書獎”、第十屆“中國圖書獎”等國家級獎，以及成都市政府“金芙蓉文學獎”、四川省“五個一工程獎”。1990年被中國科普作協(xié)授予“建國以來成績突出的科普作家”稱號。2002年入選《中國科普名家名作》。2006年被推選為世界華人科普作家協(xié)會秘書長。

書籍目錄

序／1伽利略／1父與子／3反叛的大學生／6吊燈的啟示／9阿基米德的故事／13重返比薩／16著名的落體實驗／19蟯蟯者易缺／22帕多瓦大學／24黃金時代／27哥白尼與布魯諾／30啊，望遠鏡!／33奇妙的天穹／36改換門庭／40土星與金星／43論戰(zhàn)／47山雨欲來／50“地球仍然在轉(zhuǎn)動!”／53被囚的巨／57最后的日子／59真理是時間的孩子／61牛頓／63遺腹子／65孤獨的童年／68風車之戰(zhàn)／7l農(nóng)夫還是學者的選擇／74劍橋大學／78恩師巴羅教授／83上帝的禮物／87大瘟疫帶來的奇跡／91年輕的教授／96皇家學會會員／100光與顏色之爭／105重返力學沙場／111哈雷來訪／114不朽的巨著《原理》／120不幸的發(fā)明權(quán)之爭／125站在巨人肩上／129黑色年代／136皇家造幣局局長／140皇家學會主席／143光的驕子／146巨匠之／151牛頓的遺產(chǎn)／157愛因斯坦／161一只笨鳥／163猶太少年／168上帝在哪里?／171慕尼黑，再見／173初試啼聲／176“布里丹的驢子”／177懷疑牛頓神殿／182專利局的黑馬／184攀登高峰／188輝煌的1905年／191相對論／195知音難覓／199從“鞋匠”到教授／202引力之謎／206柏林的邀請／208廣義相對論／212轟動全球／215鮮花與光環(huán)／218世界旅客／220逆流與論戰(zhàn)／225諾貝爾物理學獎／227褐色恐怖／230普林斯頓／234上帝不休息／237蘑菇云的悲劇／240孤獨的巨人／244最后的歲月／247壯心不已／248尾聲／250附錄／254

后記

著名的落體實驗伽利略傳奇的一生給后世留下了許多佳話，其中流傳最廣的，就是相傳他于1590年在比薩斜塔頂上做了有名的落體實驗。亞里士多德曾經(jīng)說過，不同重量的物體下落的速度不同，物體越重，下落的速度越快。也即“物重先落地”。亞里士多德這個觀點，是從他的哲學體系衍生出來的。這位先哲認為地球上的萬物由土、水、氣、火四種元素組成。土在最底層，土的上面是水，水的上面是氣，而火在最上層。亞里士多德斷定，地球上的物體都有一種回歸靜止位置的自然趨勢。因此以土、水為主要成分的物體會下落。越重的物體含土越多，所以下落越快。而以氣、火為主要成分的物體，則會上升。表面看起來，亞里士多德的說法很有道理。石頭由土組成，所以往下落；火焰包含著氣和火，所以裊裊上升。這一切似乎天衣無縫。而且按照常識，重的東西好像是應(yīng)該先落地。所以一千多年來，人們對亞里士多德的說法都沒有懷疑過。比薩大學里的那些同事，對此也確信不疑。伽利略卻認為這個觀點是錯誤的。伽利略在做擺的實驗時，曾發(fā)現(xiàn)擺上系著的石塊不論輕重，它們從最高點下落到最低點，所需的時間是相同的。因此他斷言，不同重量的物體從同一高度同時下落，將會同時落地。關(guān)于自由落體的問題，究竟誰是誰非?伽利略同亞里士多德的衛(wèi)道士們進行了激烈的爭論。他巧妙地運用反證法證明“亞里士多德錯了”。伽利略提問說，按照亞里士多德的說法，重的物體比輕的物體下落速度快，那么，如果把一重一輕的兩個物體捆在一起下落，結(jié)果會怎樣呢?下落慢的輕物體會拖住下落快的重物體，這樣它們下落的速度勢必會減慢。然而這兩個捆在一起的物體，總的重量超過了原來那個重的物體，下落的速度應(yīng)該更快才對。這豈不是自相矛盾嗎!那些同事們被伽利略問得啞口無言。但是他們?nèi)匀粓猿终f，亞里士多德的觀點不會有錯，錯的是伽利略的異想天開。于是，伽利略決定用確鑿的事實證明給這些同事們看。伽利略的學生維維安尼在他寫的《伽利略傳》里，講述了這件事。這就是科學史上非常有名的比薩斜塔落體實驗。比薩斜塔位于教堂廣場的一側(cè)，塔高56.7 米，塔身全部用大理石砌成，連同塔頂一共八層。從第二層起，每層有36根大理石柱回廊，造型非常別致。塔內(nèi)有樓梯300階，頂層為鐘樓。整座塔重量有1.4 萬多噸。這座塔始建于1174年，由于設(shè)計師的失誤，塔剛建到第三層時，突然發(fā)生塔基傾斜，只得被迫停工。94年后又繼續(xù)修建，據(jù)說前后換了三個設(shè)計師，雖然隨時都在調(diào)整重心，但塔身的傾斜已不可避免。整座塔建成時，塔頂中心點向南偏離垂直中心線已達2.1 米。傾斜的角度以后逐年積累，大約每年增加1毫米。至今斜而不倒，巍巍然聳立在綠茵上。這獨異的造型和風采，更使比薩斜塔的聲名遠播，構(gòu)成了世界的一大奇觀。16世紀時，比薩斜塔已成為意大利著名的觀光勝地。伽利略選擇在比薩斜塔頂上做實驗，更使它的名氣大增。據(jù)說在實驗的前一天，伽利略在校園里貼出一張布告。上面寫道：“明日午時，本人將在比薩斜塔證明自由落體定律。凡愿觀看者一律歡迎。”第二天正午，果然有不少人云集在比薩斜塔下面。其中有教師，也有學生。還有一些好奇的游客，也駐足觀看。伽利略帶著助手和兩個重量不同的鉛球，從塔內(nèi)往上攀登。他們沿著盤旋的樓梯拾級而上，樓梯陡峭而狹窄。登上塔頂鐘樓時，已是一身的微汗。但伽利略的胸中卻充滿著斗志，他明白，自己將用鐵的事實一舉擊碎亞里士多德不可動搖的神話。伽利略是第一次爬上這么高的建筑。站在塔頂上，塔身傾斜的角度更加明顯。伽利略小心地走到塔頂邊緣，扶著欄桿，比薩全城盡收眼底。他俯視下面，看見了他的同事和學生們。天空晴朗，一絲風也沒有。這是實驗的最佳時刻。伽利略吩咐兩位助手在塔頂邊緣站定，把手伸出欄桿。每人手里拿著一只鉛球，一個大些，一個小些。圍在塔底四周的觀眾，一起把視線投向兩只鉛球。伽利略凝神屏氣了片刻，然后向助手發(fā)出口令。兩個助手同時放開手中的鉛球，只見兩個鉛球在地心引力的作用下，倏然向草地上落下來。果然，每一個人都清楚地看見了兩個鉛球幾乎同時落在地上。亞里士多德的神話破產(chǎn)了。伽利略的臉上掠過勝利的笑容。他原以為下面會爆發(fā)出一陣歡呼聲，令他意外的是，塔下是一片死一般的寂靜。人們都驚呆了。這是怎么回事啊?亞里士多德竟然真的錯了!終于，有幾個學生鼓起掌來。那些道貌岸然的教師，則不以為然地轉(zhuǎn)身走了。他們是一群驕傲的鴕鳥，仍然不承認是亞里士多德錯了?！罢l能擔保伽利略沒有搞鬼?”一個同事煞有介事地說?！澳g(shù)!純粹是魔術(shù)……”另一位老夫子頻頻搖著腦袋。雖然沒有喝彩，也沒有頌歌，但是伽利略的心中卻洋溢著勝利的喜悅。一個28歲的青年學者，推翻了統(tǒng)治人們思想一千多年的權(quán)威理論。亞里士多德并不是全知全能的神啊!伽利略的自由落體實驗，使比薩斜塔成了近代實驗科學的象征，一座偉大的科學紀念碑!盡管科學史學家對這個傳說存在質(zhì)疑，然而伽利略的名字已永遠同這座奇妙的斜塔連在一起。只要提起比薩斜塔，人們自然就會想到意大利的驕傲伽利略。事實上根據(jù)可靠資料，在伽利略的同時代，確實有人做過類似的落體實驗。在伽利略12歲時，意大利帕多瓦城有個名叫莫勒第的數(shù)學家，曾在一本小冊子《大炮術(shù)》里，專門提到落體運動。這位數(shù)學家在書中借一位王子的口，明確指出：如果從塔頂我們放下兩個球，一個是重20磅的鉛球，另一個是重1磅的鉛球，它們將同時落地。王子(顯然是數(shù)學家的代言人)說：“我不是只做過一次實驗，而是許多次。還有，和鉛球體積大致相等的木球，從同一高度釋放，也在同一時刻落到地面?！北饶盏谕硇r候，荷蘭的一位工程師西蒙·斯蒂文也進行過落體實驗。他從樓上窗戶一齊放開兩個一大一小的鉛球，也是同時著地的。不過因為下落距離較短，他的實驗沒有引起多大注意。這說明在文藝復(fù)興時代，沉睡的科學已經(jīng)覺醒。亞里士多德觀點的錯誤已經(jīng)顯露出來。不止一個學者發(fā)現(xiàn)了他的漏洞。只不過沒有人敢于像伽利略那樣，公開站出來向這位“圣賢”挑戰(zhàn)。

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