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愛因斯坦到底是如何提出相對論的?很多人都有誤解!
2023/08/17

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毫無疑問,愛因斯坦是20世紀最偉大的科學家,他不僅提出了偉大的相對論,同時也是量子力學的奠基人之一,而相對論和量子力學正是現代物理學大廈的兩大基石。

相對論已經誕生了一百多年,但是不少人并不了解愛因斯坦到底是如何提出相對論的,再加上相對論推導出來的很多結論完全顛覆了我們的傳統認知,網絡上存在著很多對相對論的誤解,這種誤解在各種以訛傳訛的背景下,很多人都被洗腦了,以至于對相對論的誤解越來越深。

所以,很有必要再次科普一下愛因斯坦創建相對論的過程,避免更多的人產生誤解。

簡單說,相對論的提出并不是通過實驗推導出來的,而是通過實驗思想和數學推導出來的,說白了,相對論體現出來更多的是愛因斯坦的天才大腦和顛覆性的思維。

我們都知道,在相對論問世之前,牛頓經典力學完全統治了物理學界,而經典力學是以絕對時空觀為背景的,絕對時空觀很符合人們的日常生活體驗,所以很容易被大眾接受。

到底什麼是絕對時空觀?簡單來講,時間和空間都是絕對不變的,不會受任何外界因素影響。

比如說,一秒就是一秒,任何人在任何地點,在任何運動狀態下感受到的一秒都是相同的。還有,在絕對時空觀下,物體的運動速度都是相對的,也是可以疊加的,而且都需要有合適的參照物才有意義。

沒有參照物的速度是沒有意義的。

我們平時所說的速度基本都默認地面為參照物,而不會刻意指明地面為參照物。

但是愛因斯坦發現了一個例外,他發現麥克斯韋方程組推導出來的光速計算公式中,光速并沒有參照物,而是一個常數,光速的大小只與真空的介電常數和磁導率有關。

當時的愛因斯坦遠沒有如今這麼偉大,只是一個專利局的普通職員罷了,但是他對麥克斯韋方程組非常癡迷,他注意到了麥克斯韋方程組與牛頓絕對時空觀有不協調的地方,這個不協調的地方就是光速的特殊性。

從麥克斯韋方程組方程組推導出來的光速公式中可以看出,光速是絕對的,并不需要參照物。這意味著什麼?

意味著光速在任何情況下都保持不變,言外之意,任何速度與光速疊加之后仍舊保持不變,仍舊是光速。顯然,光速的這種特殊性與牛頓絕對時空觀完全相悖。

舉個例子,你駕駛一輛小汽車,汽車的速度為V,這時候你打開車燈,我站在街道兩邊的人行道上靜止不動。

在我眼里,車燈發出的光的速度是多少呢?

按照牛頓絕對時空觀,車燈發出的光的速度應該是汽車速度加上光速,也就是V+C,但事實并非如此,仍舊會是光速C。

這樣的結果說明一個問題:牛頓的絕對時空觀與麥克斯韋方程組必然有一個是錯的,因為兩者是矛盾的。

到底哪一個錯了呢?

在當時的物理學界,牛頓和麥克斯韋都是物理學界大佬,牛頓經典力學統治了物理學界幾百年,而麥克斯韋方程組又堪稱人類歷史上最偉大的方程組,物理學界大佬誰都不想得罪,也不敢得罪?

但問題總得解決,怎麼辦呢?

當時的物理學界大佬開始想盡各種辦法協調兩者之間的矛盾,做出了各種假設試圖讓牛頓經典力學與麥克斯韋方程組變得協調起來,而「以太」的概念正是在這種背景下誕生的。

以太,是一個假設的概念,被認為是絕對靜止的參照系,在宇宙中無處不在,也是光速的參照系。如果以太真的存在,牛頓經典力學與麥克斯韋方程組之間的矛盾就解決了。

于是,物理學家們開始通過實驗尋找以太存在的證據,但結果不但沒有找到任何證據,反而所有的實驗都指向了一個結果:以太并不存在。邁克爾遜莫雷實驗就是最典型的例子。

說到這里,有必要強調一下,邁克爾遜莫雷實驗并沒有證明光速不變,只是為了尋找以太存在的證據,結果只是證明以太并不存在。

而邁克爾遜和莫雷兩人無論如何都不能接受這樣的結果,因為牛頓經典力學在物理學界的統治力如此根深蒂固,幾乎所有的物理學大佬都無法接受牛頓經典力學被推翻的結果。所以邁克爾遜和莫雷堅持認為是實驗本身出了問題,可能是實驗不嚴謹造成的,也可能是外界干擾造成的。

他們甚至根本就不會去想光速真的是絕對的!

但是,隨著越來越多的類似實驗都表明以太確實不存在,牛頓經典力學與麥克斯韋方程組之間的矛盾越來越突出,怎麼解決呢?

當時的物理學界打死都不敢承認牛頓經典力學的局限性,甚至想都不敢想,因為牛頓經典力學統治了物理學界幾百年了,物理學大佬們早就視牛頓經典力學為神明,怎麼可能說推翻就推翻?如果推翻了,意味著剛剛建立起來的物理學大廈就得徹底推倒重建,這是他們無論如何都不能接受的。

是時候愛因斯坦站出來了!

愛因斯坦擁有異于常人的天才思維,他發現了一個很明顯的事實:以太的概念本來就是假設的,而且如此多的證據都表明以太并不存在,如此以來就沒有必要對一個假設的概念如此執著了。

于是,秉承著「如無必要勿增實體」的觀念,愛因斯坦用「奧卡姆剃刀」果斷地把「以太」咔嚓掉了,提出了光速不變原理。

何為光速不變?開頭也說了,光速是絕對的,不需要參照系,或者說在任何參照系下,光速都保持不變。當然也可以認為光速的參照系就是時空本身,嚴格來講是四維時空。

于是,在光速不變原理和狹義相對性原理的基礎上,愛因斯坦提出了偉大的狹義相對論。

其實,光速不變原理并沒有什麼特別的地方,因為這個原理本身也是假設,本質上也是公理,公理就無需證明,也沒有辦法最終證明。

說白了,光速不變原理與以太的概念是一樣的,都是假設。不同的是,光速不變原理符合實驗結果,而以太與實驗結果相悖,僅此而已。

其實,科學的本質就是假設,只不過這個假設不同于平時我們所說的假設,是在大量觀測和實驗基礎上做出的假設。提供某種假設之后,不斷進行驗證。但由于科學具有可證偽性,所以,任何假設都無法最終證明。

狹義相對論的基礎的慣性系,而現實中并不存在絕對的慣性系,所以後來的廣義相對論把慣性系擴展到了所有參照系。也就是說,狹義相對論和廣義相對論本質上并沒有差別,只是適用范圍不同。

說了這麼多,能夠看出,相對論的提出完全建立在愛因斯坦那顛覆性的思維上,與實驗幾乎沒有任何關系。通俗來講,相對論就是愛因斯坦「想」

出來的。這也難怪在愛因斯坦剛剛提出相對論時,遭到了物理學界的普遍反對和質疑。

不過相對論經受住了外界的質疑,并且在質疑聲中不斷得到驗證,直到今天成為物理學大廈的兩大基石之一。

最后說一點,其實在愛因斯坦提出狹義相對論之前,洛倫茲和龐加萊等物理學界大佬隱隱約約已經看到了狹義相對論的雛形了,就差捅破一層「窗戶紙」了,這這層窗戶紙就是「絕對時空觀」。兩人始終不愿方式絕對時空觀,以至于雖然與狹義相對論無限接近,但最終還是遺憾錯過了!

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