相對論與少年

張文靜

《相對論——少年版》，曹則賢著，科學出版社2020年4月出版

本書雖名為少年版，但它實際上為所有想要真正了解相對論的人，敞開了懷抱。“所謂少年版，不過是希望讀者總保有少年旺盛的熱情罷了。”曹則賢如是說。

2017年，中科院物理研究所研究員曹則賢出版了一本《量子力學——少年版》。最近，它的姊妹篇《相對論——少年版》問世。

1痛切的感受

有這樣一句話：“制造相對論文獻，是世界上不多的持續(xù)增長的工業(yè)門類之一。”這讓曹則賢覺得諷刺和好笑。

在世界范圍內(nèi)，相對論都被當作一門艱深的學問，但同時，它也是有極大需求的一門學問。這些需求中，有對知識的純粹追求，也有用其來“裝點門面”、增加談資的另類需要。與龐大的需求相對應的，是大量的供應。除了職業(yè)科學家之外，哲學研究者以及其他各個層次、不同背景的解讀者，都在不斷地生產(chǎn)著關于相對論乃至愛因斯坦的介紹、解讀文章、圖書，這使得相對論文獻層出不窮、汗牛充棟，全世界莫不如是。在曹則賢看來，這其中，濫竽充數(shù)者居多。

這種現(xiàn)象讓曹則賢覺得很無奈，而更令他覺得諷刺的是，當少年時的自己在大學叩問物理之門時，他是連這樣良莠不齊的相對論文獻都見不到的。

1982年，16歲的曹則賢考入中國科學技術大學物理系。兩年后，他才從郭碩鴻先生編寫的電動力學課本上第一次接觸到相對論。

“相對論孤零零的一章，就掛在電動力學課本的最后，介紹得很簡單。廣義相對論在1915年奠立，在近70年后，這就是我作為知名大學物理系學生學習相對論的唯一來源。別說入門了，就等于你只聽過‘相對論三個字。這樣的我們，何談走到物理學研究的前沿，何談去和別人競爭？”如今談到此處，曹則賢仍有著痛切的感受。

讓他記憶更深刻的是，大學畢業(yè)后，曹則賢自己作為輔導老師，又去輔助電動力學這門課。“那時候，我根本不知道相對論為何物，代課老師也不知道，我們的課就是這樣進行下去的。”

后來，他留學德國，又回國工作，整日忙碌，但關于相對論的這件事一直埋在心底，直到多年后被又一位少年的問題重新點燃。

2007年8月的某一天，曹則賢和兒子坐在從北戴河開往北京的列車上。正在玩一個礦泉水瓶的兒子突然問他：“為什么列車開得那么快，而物體下落卻和地面上一樣？”他心里一動。

“這是一個我們的祖先早就注意到了的現(xiàn)象，近代科學奠基者伽利略在四個世紀前就有詳細的描述。在20世紀初經(jīng)過愛因斯坦等幾個天才頭腦的努力，這個思想被發(fā)展成了現(xiàn)代物理的兩大支柱之一——相對論。”曹則賢說，“這樣偉大的思想，它的起源現(xiàn)象可以被一個少年注意到，就一定能夠為少年所理解。”這讓他萌生了寫一本《相對論——少年版》的想法。

2.科學的正確打開方式

雖然名為少年版，但曹則賢并不打算降低它的難度，把它寫成一本簡化版、通俗化的書。

按照曹則賢的說法，這本書提供了廣義相對論所需的整套數(shù)學及其基礎內(nèi)容。他一直認為，科學的高峰，既不會迎合攀登者的熱情，也從不體諒攀登者的羸弱。科學的正確打開方式，不是將其簡單化、庸俗化，而是原原本本地呈現(xiàn)給讀者，讓人們知道真正的學問是什么樣子。如何將高難度的數(shù)學、物理內(nèi)容不折不扣地呈現(xiàn)給不同準備程度的讀者，考驗的是作者的能力。

要做到這一點，并不容易。“一方面，對愛因斯坦盲目的個人崇拜以及對英雄史詩敘事的追求，妨礙了人們對相對論這一偉大思想的客觀認識;另一方面，相對論的很多寫作者都缺乏數(shù)學知識，或者干脆置數(shù)學于不顧，這讓很多書籍淪為乏味的純文本。變換不變性、洛倫茲變換、（微分）幾何和張量分析，這些才是相對論的靈魂，沒有這些內(nèi)容，相對論就剩下了‘一切運動都是相對的的干癟哲學教條。”曹則賢說。

他下決心要把相對論“寫透”，因此用幾年時間大量閱讀相對論的德、法、意、英等外文原始文獻。他梳理出相對論自身的歷史發(fā)展路徑，試圖把相對論相關的事件、人物以及邏輯關系清楚地展現(xiàn)給讀者。

相對論的發(fā)展是一個長達300余年的思想過程，從開普勒、伽利略的思想發(fā)端，在愛因斯坦1915年奠立廣義相對論的那一刻達到了頂峰。在曹則賢看來，相對論是純粹理性思維的勝利，是物理現(xiàn)實的內(nèi)在和諧與數(shù)學表達的形式美學之間完美的相互激勵，是嚴謹?shù)娜斩幕c浪漫的拉丁文化的燦爛結晶。物理規(guī)律的變換不變性是相對論的核心思想。沿著樸素相對論、伽利略相對論，經(jīng)由狹義相對論，抵達廣義相對論，這一條綿密的思想河流上有激動人心的關于物理學創(chuàng)造的歷史畫卷。

在《相對論——少年版》中，曹則賢用15章的內(nèi)容，按照樸素相對論、伽利略相對論、狹義相對論、廣義相對論和整體相對論的順序，以相對性思想的歷史演化為線索，詳細介紹了相對論所包含的數(shù)學、物理和哲學內(nèi)容。

那些與相對論有關的德、法、意、英文原始文獻，被他搬到了書中，他將非英文文獻的標題譯成了英文或中文，方便讀者順藤摸瓜，一步步接近相對論思想的核心，看到相對論創(chuàng)立過程中的那些細節(jié)。

國際上有一種說法，一本書每增加一個公式，它的讀者就會減少一半。但曹則賢并未因此減少本書的數(shù)學內(nèi)容，相反，他在書中盡可能多地提供了學習相對論所需要的關鍵數(shù)學基礎，盡可能多地列出了相對論的數(shù)學公式。

這些內(nèi)容讓本書不僅可以作為少年讀者了解相對論的科學讀物，更可以為有志于研習相對論的學習者和研究者提供幫助。

3.少年般旺盛的熱情

這樣一本相對論，少年能學會嗎？曹則賢的回答是：“當然能！”事實上，本書中就有不少少年的故事。

一個少年名叫泡利，出生于1900年，從維也納多布林中學畢業(yè)時，他剛滿18歲，就提交了題為“論引力場的能量分量”的論文，研究的就是廣義相對論的課題。1918年秋，泡利進入德國慕尼黑大學，師從物理學家索末菲。索末菲認為泡利已經(jīng)符合物理學家的標準，但慕尼黑大學有規(guī)定，學生入學六個學期后才能申請博士學位。在這六個學期里，索末菲干脆讓泡利為他編纂的數(shù)學科學百科全書寫作相對論的條目。

1921年，泡利在第六個學期完成時，以關于氫分子的量子力學研究獲得博士學位。兩個月后，他的相對論綜述文章刊行，洋洋灑灑237頁，至今依然是相對論的經(jīng)典文獻。

另一位少年的故事還要早100多年。出生于1713年的法國人克萊羅，13歲時就第一次向法國科學院遞交了關于幾何曲線研究的論文，16歲時提出曲線的描述需要“曲率”的概念，并以此申請法國科學院院士的資格，但當時未得到國王的立即認可。兩年后，克萊羅發(fā)表了《關于雙重曲率曲線的研究》一文，在文中公布了他對空間曲線的研究成果。這一年，18歲的克萊羅成為了法國科學院有史以來最年輕的院士。

這些只是少數(shù)天賦異稟的少年的故事？曹則賢說：“不！這些少年確實更聰明，但我們更應看到的是，他們是如何被教育和培養(yǎng)的。我相信，中國少年中也有這樣的天才，但我們給他們提供了像樣的教育、讓他們讀到像樣的書了嗎？這是我們作為前輩應該去思考的。”

曹則賢說，這本遲疑延宕了12年才寫成的書，是為自家少年準備的入門讀物，也注定是他自己要看一輩子的書。從這個角度說，本書雖名為少年版，但它實際上為所有想要真正了解相對論的人，敞開了懷抱。“所謂少年版，不過是希望讀者總保有少年旺盛的熱情罷了。”曹則賢如是說。