第一个给予爱因斯坦相对论时空观数学形式的是闵科夫斯基(HermannMinkowski,1864、6-1909、1)——爱因斯坦的老师、希尔伯特终生的密友。
1908年、9、21闵可夫斯基在科隆举行的第八十届国际自然科学家与医生大会上发表了题为“空间与时间”的演讲。在这篇报告中,他把时间与空间统一成一体,形成了平直空间四维时空——闵可夫斯基平直空间,任何物理事件在该空间对应一点,粒子运动为一条线;自由粒子的轨迹为一直线(短程线);洛伦兹变换对应于坐标系在该空间的转动。四维空间统一了原来独立无关的空间与时间,使物理事件成为四维表述,静止物理事件成为了四维时空的一个线性子空间,由四维量描述的物理定律显示出了优美的数学简洁性。
闵可夫斯基进一步把光的传播方向与频率统一为四维波数,电磁波在四维空间传播过程中具有四维波数不变性,多普勒效应与光行差现象均是不变性中的特例。有次闵可夫斯基预言了电磁波横向多普勒效应,并在1938、39年被实验所证实。
闵可夫斯基以优美的数学揭示了时间与空间的内在联系,并使力学与电动力学的概念和重要物理规律得以进一步简化,促进了狭义相对论的理解与传播,为广义相对论的阐述开辟了重要的途径。
〖科学公园按语〗
爱因斯坦的老师,天才闵可夫斯基用一系列美妙的数学变换,为时间和空间的统一做出了一个精巧的数学表达式(图)前三项是三维空间的两点间距离(毕达哥拉斯定理),关键是最后一项冠以了一个“负号”,情况就发生了根本性的变化。
我们这里引用闵可夫斯基的原话,以表达对其在科学和数学方面贡献的敬意。
“诸位先生,我希望在你们前面提出的时空观已经在物理学土壤中发芽,并且显示出了勃勃生机。它是根本性的改变,从此,就时间本身和空间本身来说,(彼此的独立无关性)注定要消失成幻影。只有两者统一才是独立存在的,”(1908、科隆)。
从此以后,“时空”简化成了就成了一些列数学变换和方程的特解。
哲学家们喜欢用似是而非的“四维时空”来描述现实的虚幻与掩盖他们学科表达的无能。而辩论者又往往因为不熟悉这个概念而掉入他们精心编织的“胡搅蛮缠魔网”。实际上时空联系无非在逻辑上的表达,而且,被实验所验证。
——数学表达,就是用最少的成本表达唯一的、清晰的、有内在联系的概念。如有异议,就能在数学变换中直接找出问题,而不是整日给自己穿上古老而笨重的“思辨”之古代铠甲。