为什么爱因斯坦在没有计算机,科技不发达的情况下,提出了这么先进的理论?
我们来看看爱因斯坦是如何推导出这个在当时被严重超前的理论的。
其实这个理论的发现过程,爱因斯坦2月1922 14日在日本京都发表的演讲中就提到过:
我第一次考虑相对论的想法,大约是在17年前。我不确定是哪里来的,但肯定和运动物体的光学问题有关。光穿过以太海,地球也是如此。从地球的角度来看,以太是相对地球流动的。但是,我在任何物理书刊中都找不到以太流动的证据。这让我想找到任何可能的方法来证明地球的运动导致以太相对于地球流动。当我开始思考这个问题的时候,我根本没有怀疑过以太的存在,也没有怀疑过地球的运动。所以我预测,如果某个光源的光被镜子适当反射,应该会有不一样的能量,这取决于它是朝着地球的方向运动还是相反的方向运动。使用两个热电堆,我试图通过测量每个热电堆产生的热量差异来验证这一点。想法和迈克尔逊实验中的一样,但当时我对他实验的理解并不清晰。
当我还是一个思考这些问题的学生时,我就已经熟悉了迈克尔逊实验的奇怪结果,并直觉地意识到,如果我们能把他的结果当作事实来接受,那么认为地球相对于以太运动就是错误的。这一见解实际上提供了通向现在所谓的狭义相对论原理的第一条道路。我开始相信,虽然地球绕着太阳转,但是光的实验无法证实。
大概就是在那个时候,我有机会在1895读到了洛伦茨的专著。洛伦兹讨论并设法完全解决了一阶近似电动力学,即忽略运动物体的速度与光速之比的二阶和更高阶的小量。我也开始研究斐索实验的问题,假设把真空坐标系换成运动物体坐标系,洛伦兹建立的电子方程仍然成立,以此来解释斐索实验的问题。无论如何,我相信麦克斯韦-洛伦兹电动力学方程是可靠的,它描述了事件的真实状态。另外,方程在运动坐标系中也成立的条件提供了一个论点,叫做光速不变性。然而,光速的这种不变性与力学中已知的速度相加定律是不相容的。
为什么这两件事会互相矛盾?我感觉我在这里遇到了不寻常的困难。我花了将近一年的时间来思考这个问题,认为我必须对洛伦茨的观点进行一些修正,但这是徒劳的。不得不承认,这不是一个容易解开的谜。
一个偶然的机会,一个住在伯尔尼(瑞士)的朋友帮助了我。天气很好。我去拜访他,对他说了一句话:“这几天我一直在纠结一个问题,无论我怎么努力,都解决不了。”今天,我给大家带来这个难题。“我和他在许多方面进行了讨论。通过这些讨论,我突然意识到。第二天,我又去拜访他,简单开心地告诉他:“谢谢。我已经完全解决了自己的问题。"
我的解决方法其实和时间的概念有关。重点是时间没有绝对的定义,但是时间和信号速度有着密不可分的联系。有了这个想法,我第一次完全可以解决那个不寻常的困难。
带着这个想法,我在五周内完成了狭义相对论。我毫不怀疑,这个理论从哲学的角度来看也是非常自然的。我也意识到这很符合马赫的观点。狭义相对论虽然明显与马赫的观点没有直接关系,但就像后来广义相对论解决的那些问题一样,可以说与马赫对各种科学概念的分析有间接关系。
就这样,狭义相对论问世了。然后是广义相对论:
广义相对论的第一个想法发生在两年后——1907。它发生在一个令人难忘的环境中。
运动的相对性仅限于相对匀速运动,不适用于随机运动。当时我已经对此不满了。我私底下总是在想,我能不能用某种方式摆脱这种限制。
1907,应该是《放射性与电子学年鉴》(Jahrbuch der Radioaktivit?应tund Elektronik编辑Staack先生的要求,我试图为年鉴总结狭义相对论的结果。当时我意识到,虽然其他所有的自然规律都可以按照狭义相对论来讨论,但是这个理论并不能适用于万有引力定律。我有一种强烈的愿望,试图找出这背后的原因。但要达到这个目标并不容易。我对狭义相对论最不满意的是,虽然这个理论可以完美的给出惯性和能量的关系,但是惯性和重量的关系,也就是引力场的能量,还是完全不清楚。我觉得在狭义相对论里,可能根本没有解释。
我坐在伯尔尼专利局的椅子上,突然有了一个想法:“如果一个人自由落体,他当然感觉不到自己的重量。”
我吓了一跳。这样简单的想象给我带来了巨大的冲击,也正是它推动我提出了新的引力理论。我的下一个想法是:“当一个人跌倒时,他在加速。”他所观察到的不过是他在加速系统中观察到的。“因此,我决定把相对论从匀速运动系统推广到加速系统。希望这次提升能帮我解决重力问题。这是因为下落的人感觉不到自己的重量,可以解释为一个新的附加引力场抵消了地球的引力场;换句话说,因为加速系统提供了一个新的引力场。
基于这种观点,我没能一下子完全解决问题。我花了八年多才找到合适的关系。但与此同时,我开始部分意识到这个解决方案的一般基础。
马赫还坚持认为所有的加速系统都是等价的。但这显然不符合我们的几何,因为如果允许加速度系统,欧几里德几何就不会适用于所有系统。表达一个没有几何的规则就像表达一个没有语言的想法。我们必须首先找到一种语言来表达我们的思想。那么在这种情况下,我们要找什么?
我在1912之前没有解决这个问题。就是那一年,我突然意识到,完全有理由相信高斯的表面理论可能是解开这个谜团的关键。当时我意识到高斯曲面的坐标极其重要,却不知道黎曼已经在几何基础上提供了更深入的讨论。发生在我学生时代的一件事,我在一个叫盖泽尔的数学教授的课上听过高斯理论。从这里,我发展了自己的想法,想到了几何必须有物理意义的概念。
当我从布拉格回到苏黎世时,我的好朋友格罗斯曼教授也在那里。我在伯尔尼专利局的时候,很难拿到数学文献,他愿意帮助我。这一次,他教我里奇理论,然后是黎曼理论。于是我问他是否真的可以通过黎曼理论解决我的问题,即曲线元素的不变性是否可以完全决定它的系数——我一直在努力寻找这个系数。1913年,我们一起写了一篇论文。但是我们在那篇论文中没有得到正确的引力方程。虽然我继续研究黎曼方程,尝试了各种方法,但只找到了很多不同的原因,让我相信它根本得不到想要的结果。
然后就是两年的辛苦研究。然后我终于意识到我之前的计算有错误。所以我回到不变量理论,试图找到正确的重力方程。两周后,正确的方程式终于第一次出现在我的眼前。
至于我在1915之后做的研究,我只想问宇宙学的问题。这个问题涉及到宇宙和时间的几何。一方面是基于广义相对论中对边界条件的处理,另一方面是基于马赫的惯性观。当然,我没有具体知道马赫对惯性相对性的看法,但他至少对我产生了极其重要的影响。
无论如何,在试图找出万有引力方程的不变边界条件后,我终于可以把宇宙看成一个封闭的空间,消除边界,从而解决宇宙学问题。从这一点出发,我得出以下结论:惯性只是某些物体享有的一种属性。如果某个特定物体旁边没有其他天体,那么它的惯性肯定会消失。我相信这使得广义相对论在认识论上令人满意。
从爱因斯坦的描述中也可以看出,这两个理论并不是一下子全部引入的,而是由一些实验和想法逐渐引入的一个理论,它的诞生也是有相当的物理基础支撑的。
后人对爱因斯坦的评价
后人认为爱因斯坦是一个热爱和平的人,一生尽其所能为世界和平做出了巨大的贡献,因为爱因斯坦生前烧掉了自己所有的研究成果。一些至亲好友表示,爱因斯坦这样做是为了避免战争,也是为了防止一些别有用心的人利用他的研究数据制造武器。
事实上,爱因斯坦在世时,欧洲科学家对爱因斯坦的评价非常积极。他们都认为爱因斯坦做了前人做不到的事情。尽管爱因斯坦晚年犯了一些小错误,但总的来说,他对全人类的贡献是不容忽视的。他创造了三大定律,改变了人们的世界观和价值观,也改变了之后的科技。
也有人把重点放在爱因斯坦的人格上。很多专家认为他是一个低调内向的人,特立独行。他在遗嘱中告诉世人,不要把他当神来崇拜,也不要把他的故居变成博物馆让后人看。看来这位伟大的科学家并不希望死后被太多人打扰,也不希望自己的死影响到人。