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引言:由于爱因斯坦擅于思考并且提出了众多抽象的科学理论,他的大脑曾被认为是这个世界上最聪明的大脑。牛顿是一位伟大的物理学家同时也是数学家,爱因斯坦也是吗?实际上他的广义相对论还需要其他数学家的帮忙。
在人类建立起来的所有学科中,数学与物理的联系被认为是最为密切的,因为数学几乎是所有理工科的基础,许多物理知识和理论都需要数学的参与,这一点从历史上诸多伟大的科学家身上就可以看得出来。牛顿被认为是对人类科学家贡献最大的科学家之一,他同时也是一位伟大的数学家,如今高等数学中的微积分就主要是他创立的。那么爱因斯坦被誉为牛顿之后在物理领域的第一人,他的数学水平又如何呢?
众所周知,爱因斯坦以其提出的相对论闻名世界。实际上相对论还分为狭义相对论和广义相对论,狭义相对论是爱因斯坦最初提出的理论,之后他发现该理论仍然无法解释一些问题,因此在自己和其他数学家的帮助下共同完善这一理论,于是就有了广义相对论。其中狭义相对论中所涉及到的数学领域知识只有微积分,因为它适用于曲率为0的平直时空。
然而现实时空是三维立体的,甚至存在更高维度,因此狭义相对论无法解释曲率不为0的弯曲时空,这也就意味着引力无法被引用进去。为了解决这个问题,爱因斯坦起初自己进行了大量的研究和尝试,但最后都未能成功,最后他得出了一个推论,或许引力并非真正意义上的力,而是几何效应。碍于数学水平的限制,爱因斯坦只能够向他的大学同学格罗斯曼求助。格罗斯曼可以说是爱因斯坦早期的贵人,在爱因斯坦毕业没有工作的时候,他让自己的父亲在当地专利局为爱因斯坦找了一份职员工作。
专利局职员的工作并不辛苦,这使得爱因斯坦在闲暇之时有时间思考问题,这对他后来所做出的科学贡献是有深远影响的。格罗斯曼在聆听了爱因斯坦的讲述之后,明确表示刚发展起来不久的黎曼几何可能正是解决难题的需要。黎曼几何是一种研究弯曲空间的几何,这与爱因斯坦所认为的物体会弯曲空间的理念相符合。但在加入黎曼积分之后爱因斯坦发现还是不够,于是他开始向张量微积分领域寻求帮助。
幸运的是张量微积分的领域已经有著名数学家李奇和列维提出的基础理论,在这些理论上爱因斯坦和格罗斯曼共同完成了广义相对论的奠基论文。最后真正起到“临门一脚”效果的是一位叫希尔伯特的数学家,他的出现直接促成了引力场方程的建立。爱因斯坦努力长达8年时间的广义相对论最终在希尔伯特凭借高超数学能力的帮助下完成的,后世为了纪念希尔伯特对广义相对论的贡献,将引力场方程中的作用量定义为“爱因斯坦-希尔伯特量”。
由此看来,物理领域的发展是离不开数学的,而物理领域的发展反过来也会助推数学的发展。