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空间■一张图弄明白：从零维到十维空间( 七 )


爱因斯坦进一步思考：那么 ， 几乎所有的物体都必须使用时钟与量尺来测量 ， 既然时间和量尺都是变化的 ， 所以我们必须校正所有的物理量（quantity） ， 于是他导出了下一个重大的结论：质量是从能量来的 。
这个结论 ， 一举推翻了十九世纪的两大物理发现：质量守恒和能量守恒 。 自此以后 ， 质量与能量被视为单一单位：质-能（matter-energy） 。
二十六岁的爱因斯坦同时给出了质能变动的方程式 ， 那就是著名的 E＝mc2 。
让我们再来追寻一下狭义相对论的推导过程：
光速恒定?时间变慢?质量不恒定?“质量-能量”相互转换? E＝mc2
侠义相对论 ， 统一了“时-空” ， 也统一了“质-能” 。
统一了“时-空”以及“质-能”之后的爱因斯坦 ， 进一步思考“时空”与“质能”之间的关系 ， 也就是狭义相对论所忽略的加速度 ， 还有重力 。
这导致了他的下一个巨大成就：广义相对论 。
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广义相对论 ， 空间是弯曲的?力学＝几何学
再次 ， 爱因斯坦由一个简单问题开始：“如果一个人处于自由落体状态 ， 他就不会感觉到自己的体重？”爱因斯坦透过这个简单问题掌握了重力的基本特性：在加速度架构下的自然律和重力场的定律是一样的 。 这就是所谓等效原理（equivalence principle） 。
透过等效原理 ， 爱因斯坦重新思考关于光速的问题：光速会受重力影响吗？答案是肯定的 ， 重力场会扭曲光线的行进路线 。
但是！但是 ， 根据费玛最短时间原理 ， 光线会采取两点之间的最短时间路径 ， 爱因斯坦再次得出一个令人震慑的结论：如果我们可以观测到光线以曲线前进 ， 那就意味着空间本身是弯曲的！（光以曲线前进这一预测 ， 已经被后人的无数次实验反复证明 。 ）
空间■一张图弄明白：从零维到十维空间
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伟大的爱因斯坦进一步得出结论：质能的存在造成周围时空的弯曲 。
我们前面讲过 ， 数学家黎曼早在一八五四年就提出了作用力与空间弯曲的关系 ， 并提出了重力场论 。 爱因斯坦利用黎曼的研究成果 ， 用数学形式表达了他自己的物理学新发现 ， 这就是广义相对论（general relativity） 。
让我们再来追寻一下广义相对论的推导过程：
光线以曲线前进＋光线走两点间最短时间路径?空间是弯曲的?“质-能”造成“时-空”弯曲?力学＝几何学
爱因斯坦的伟大 ， 止步于他的第三次尝试 。
在狭义和广义相对论之后 ， 他终其一生研究统一场论（unified field theory ） ， 简单说 ， 就是试图寻找一个公式 ， 能够同时描述光与重力 。 可惜 ， 他最终没有成功 。
对这一问题给出答案的 ， 是Theodor Kaluza和Oskar Klein两位科学家 ， 他们的理论我们称之为“克鲁查-克莱因理论” ， 简单说 ， 这个理论就是：在五维空间里 ， 将光与重力的理论统一了起来 。
可是 ， 第五维到底在哪里？克鲁查说：第五维已经崩解成一个圆圈 ， 它的体积实在太小了 ， 连原子都装不下 ， 因而也无法测量 。 一九二六年 ， 克莱因甚至计算出第五维的尺寸只有10E－33公分（10的负33次方） ， 而探测如此微小距离所需要的能量也就是是所谓蒲朗克能量（Planck energy） ， 相当于10E 20亿电子伏特 ， 百万兆倍于质子蕴藏的能量 。
克鲁查-克莱因理论在当时并未收到广泛关注和普遍认同 ， 领一时风气之先的是另一套全新的理论：量子力学（quantum mechanics）（码了这么多字 ， 原子物理学家终于登场了！）
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量子力学 ， 整合了三种自然相互作用力
一九二五年 ， 以薛丁格（Erwin Schr?dinger）和海森堡（Werner Heisenberg）为代表的一组科学家 ， 已经对原子运动给出了几近完整的数学描述 ， 我们称之为量子力学 。


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