物理群星
赫尔曼·闵可夫斯基 肖像

图:佚名 / 苏黎世联邦理工图书馆(公有领域)

赫尔曼·闵可夫斯基

Hermann Minkowski

1864–1909 · 生于俄国阿列克索塔斯 · 德国

相对论数学物理

他曾说爱因斯坦是「懒狗」,四年后把学生的理论变成了几何

「从此以后,孤立的空间与孤立的时间注定要消失成影子,只有两者的某种结合才能保持独立的实在。」

—— 1908 年 9 月 21 日在科隆《空间与时间》讲演开场,据德文原文意译

1908 年 9 月 21 日,科隆。闵可夫斯基在德国自然科学家大会上开始他的讲演,第一句话是:

诸位先生,我要向你们展示的空间与时间的观念,是从实验物理的土壤中生长出来的,这正是它们的力量所在。它们是激进的。从此以后,孤立的空间与孤立的时间注定要消失成影子,只有两者的某种结合才能保持独立的实在。

三年前爱因斯坦发表狭义相对论时,用的是一套关于钟与尺、信号与观察者的论证,读起来颇为繁琐。闵可夫斯基做的事是:把它变成几何。

一个数论学家

闵可夫斯基的本行不是物理。

1883 年,十八岁的他与英国数学家史密斯并列拿下法国科学院数学大奖,题目是把整数表示成五个平方数之和。1896 年他出版《数的几何》,用几何的眼光处理数论问题——把整数解看成格点,把不等式看成区域。这个习惯后来决定了他对相对论的看法:别人看到公式,他看到形状。

1902 年希尔伯特把他请到哥廷根。1907 年他开始琢磨狭义相对论的数学结构,第二年就在科隆讲出了那句开场白。

他做的事在记号上简单得像个约定:把时间也当作一个坐标,与三个空间坐标并列。要紧的是这个四维空间里的「距离」怎么算——时间项与空间项必须反号。分量因人而异,那个组合起来的数却对所有人相同。狭义相对论的全部内容于是可以压成一句话:物理定律在保持这个间隔不变的变换下形式不变,而洛伦兹变换不过是四维空间里的一种转动。

「那个懒狗」

闵可夫斯基 1896 到 1902 年在苏黎世联邦理工任教,爱因斯坦正是那几年的学生。

他对这个学生的印象不佳。爱因斯坦经常翘课,靠同学格罗斯曼的笔记应付考试。闵可夫斯基后来对同事说过一句常被引用的话,大意是:爱因斯坦搞出相对论让他大吃一惊,因为学生时代那家伙是条懒狗,对数学根本不上心。

学生一开始也不领情,把老师的四维形式称作「多余的博学」。但 1907 年之后爱因斯坦为广义相对论苦战八年,卡得最死的一关正是数学——他要的是描述弯曲时空的工具,而闵可夫斯基那个平直的四维时空,是通往它的第一级台阶。

爱因斯坦后来自己讲过,若不是闵可夫斯基把相对论改写成四维的样子,广义相对论恐怕至今仍在襁褓里。

四十四岁

1909 年 1 月 12 日,讲演之后不到四个月,闵可夫斯基因阑尾炎穿孔突然去世,年仅四十四岁。

他没有看到 1915 年的场方程,没有看到 1919 年的日食观测,也没有看到「闵可夫斯基时空」成为每一本相对论教科书的第一章。

希尔伯特在悼词里说,闵可夫斯基把物理学从三维的束缚中解放了出来。今天粒子物理写下的每一个四维矢量、每一次指标缩并,用的都是他在科隆讲演里给出的那套记号。

代表方程

闵可夫斯基间隔

ds2=c2dt2−dx2−dy2−dz2ds^2 = c^2dt^2 - dx^2 - dy^2 - dz^2

四维时空中两个事件之间的「距离」。不同观察者测得的时间与空间分量各不相同,但这个组合对所有人一样。狭义相对论的全部内容,可以压缩成「这个量不变」。

洛伦兹变换的四维写法

x′μ=Λ νμ xνx'^\mu = \Lambda^{\mu}_{\ \nu}\,x^{\nu}

把时间与空间放进同一个四分量对象后,洛伦兹变换就成了这个空间里的一次「转动」。爱因斯坦原本繁复的推导,在这套记号里变成几行。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.闵可夫斯基《空间与时间》,1908 年 9 月 21 日科隆第八十届德国自然科学家与医生大会讲演,1909 年刊于《物理学杂志》第 10 卷
  2. 2.爱因斯坦《论动体的电动力学》,《物理学年鉴》第 322 卷第 891 页(1905)
  3. 3.庞加莱《论电子的动力学》,《巴勒莫数学会通报》第 21 卷(1906)——已经写出了那个不变的二次型