爱因斯坦是20世纪最伟大的物理学家,相信不会有任何疑问,他创立了狭义相对论和广义相对论。而相对论是现代物理学大厦的两大基石之一(另一大基石是量子力学)。
几乎每个人都听说过相对论,但很多人并不了解相对论是如何诞生的,加上网络上有很多关于相对论的谬论,在各种以讹传讹的过程中,很多人都被误导了!
那么,爱因斯坦是如何提出狭义相对论和广义相对论的呢?
简单来讲,是通过物理思想加上数学推导出来的,与实验几乎没有任何关系。
也就是说,相对论并不是从实验中推导出来的,更多的是依靠爱因斯坦颠覆性的思维创建的。
在爱因斯坦提出相对论之前,牛顿的经典力学和绝对时空观统治着整个物理学界,当时的物理学家对绝对时空观深信不疑,绝对时空观也符合人们对日常认知。
何为绝对时空观?通俗地讲,时间和空间是绝对的,任何人的时间流逝速度都是一样的。
同时,任何速度都是可以叠加的,任何事物的运动速度都是相对的,即都需要参照物,比如说,我们通常所说的速度都是默认地球为参照物。
当时的爱因斯坦只是工作没几年的专利局普通职员,但他痴迷于如此优美的麦克斯韦方程组。
该方程组表明,光在真空中的速度是恒定的,只与真空的磁导率和介电常数有关,没有所谓的参照系。
这显然与牛顿的绝对时空观矛盾,绝对时空观强调速度是可以叠加的。
举个例子,你我以每秒5米的速度反向奔跑,我们之间的相对速度就是10米每秒。
但麦克斯韦方程组表明,光速不需要叠加,或者说光速与任何其他速度叠加之后仍旧是光速。
怎么办?
一个是统治整个物理学界几百年的牛顿绝对时空观,一个是最优美的麦克斯韦方程组,两者物理学家们都不想得罪。
物理学家们想尽了各种办法协调两者,但最终都没能被物理学界接受。
最后爱因斯坦那具有颠覆性思维的大脑提出了光速不变原理。
爱因斯坦认为:既然光速不需要参照系,就意味着光速在任何参照系或者任何运动形式下都保持不变。
再加上相对性原理(在惯性参照系下,物理定律等价),在两个原理的前提下,狭义相对论呼之欲出。
可以看出,爱因斯坦提出相对论的过程与实验没有任何关系,完全就是数学和思想的结果。
当然与迈克尔逊莫雷实验也没有任何关系了,这个实验只是想利用光速试图证明光速的存在,狭义相对论只是顺便解释了这个实验而已。
而且当时的爱因斯坦仅仅是一名普通职员,根本没有机会接触到相关实验的论文。
当然,也正是因为狭义相对论的提出没有经过任何实验论证,在近十年的时间里,并没有被物理学界所接受,物理学大佬们压根就不相信爱因斯坦的狭义相对论。
这也是可以理解的:谁会轻易相信一个没有得到实验论证的理论呢?
有了狭义相对论,广义相对论的提出就相对简单多了。狭义相对论一个重要前提是惯性参照系,而广义相对论把惯性参照系扩展到了所有参照系。
惯性系(静止或匀速直线运动)只存在理论上,实际上是不存在的,因为引力无处不在。
广义相对论就是狭义相对论的再次升华,变得更加普适。
正如刚才所说,相对论提出之后,并没有被物理学界认可,直到十余年之后,爱丁顿观测到的日食现象与广义相对论非常符合,之后相对论才慢慢进入物理学家们的视野当中,开始被大众一点点接受。
最后还要说一点,其实在爱因斯坦提出狭义相对论之前,不少物理学大佬马上触摸到了相对论的圣杯,就差一层“窗户纸”,比说说庞加莱,洛伦兹等人,但就是因为始终不肯放弃绝对时空观,最终与狭义相对论失之交臂(洛伦兹都提出了著名的洛伦兹变换了,还是遗憾错过狭义相对论)。