为什么爱因斯坦可以提出各种理论而不需要验证?

曾经有这么几句话形容理论和实验物理领域的科学家:“理论物理废纸,实验物理花钱,理论和实验物理费米”。当然,这是对费米同志作为20世纪最后一个兼具理论和实验物理的罕见人才的褒奖。像费米这样的科学家真的很少见。但我们今天要讲的是一个连费米都仰视的20世纪物理学超级大亨:爱因斯坦,他在理论物理领域首屈一指,他的理论在整个20世纪乃至21世纪都得到了验证!

爱因斯坦创造了狭义相对论吗?不要!

很多不了解狭义相对论的朋友认为,它本来就是爱因斯坦创造的。一般只有一句话。爱因斯坦的狭义相对论诞生于1905年。其实真的诞生了,不过是很多科学家的伏笔。爱因斯坦曾经说过,如果他不推出狭义相对论,一些科学家会在五年内发现它!我们来了解一下狭义相对论的背景!

早期的伏笔是牛顿的万有引力和三大定律,拉普拉斯对太阳系轨道的行星周期性的证明,列维计算的水星岁差问题。前期认为水星轨道上有一颗被蹂躏的恒星,其他重点如下:

首先在1860年代引入麦克斯韦方程组,推导出电磁波是一个常数,与光速一致,使麦克斯韦认识到光也是一种电磁波。

接着,爱以太的迈克尔逊和莫雷进行了一个证明以太的漂移实验,结果是一个漂移零,这让迈克尔逊和莫雷傻眼了。这个故事在科学界传开后,多方加入了战局,但除了误差越来越小之外,并没有什么不同。

1895年,洛伦兹提出了高速运动物体长度收缩的概念来解释以太漂移的零结果,并通过关联态定理提出了局域时间的概念。用这个理论,洛伦兹解释了像差、多普勒频移和斐索流实验。同年,洛伦兹利用麦克斯韦电磁理论提出了一组在以太中运动的坐标系变换方程,这就是洛伦兹变换!

1900年,庞加莱用光速同步解释了洛伦兹的当地时间。1904年,庞加莱独立于爱因斯坦提出了相对论原理:“力学和电磁学中没有一个实验能够区分静止和匀速运动的任何惯性参照系。”

在座的各位应该都知道,狭义相对论的光速是恒定的,下一个相对论原理已经准备好了,所以爱因斯坦在1905提出狭义相对论,只是一个阶段性总结和开创性思考的结果。没有麦克斯韦、洛伦兹、庞加莱,爱因斯坦不知道要工作多少年,而且有了爱因斯坦的理论物理基础,那些需要实验物理支撑的数据很难得到。当然,爱因斯坦并没有得到所有的荣誉。在这篇论文的开头,爱因斯坦已经定义了狭义相对论的本质!

爱因斯坦创造了广义相对论吗?很明显!

虽然广义相对论中使用了很多数学和物理工具,但这一理论自始至终都是爱因斯坦独立思考形成的,唯一求助于其他科学家的只有数学工具。所以,从这个角度来说,毫无疑问,爱因斯坦享有普遍性的荣耀。十年对于一个理论和体系来说可能太紧凑了,但是对于爱因斯坦来说,他是在1915完成的。

这个方程是一组二阶非线性偏微分方程,数学上很难求解。爱因斯坦本人只能用近似的方法推导出几个预言,但最著名的是史瓦西在1916中得到的第一个精确解:史瓦西度规,被誉为黑洞的理论基础!

1917年,爱因斯坦将引力场方程应用于整个宇宙,开创了相对论的宇宙学应用领域。但爱因斯坦更倾向于宇宙静止论,于是他在引力场方程中加入了一个常数,将动态的宇宙修正为静态的。

弗里德曼和勒迈特从引力场方程中得到了膨胀宇宙的解,而哈勃观测到了宇宙的膨胀,这让爱因斯坦很恼火。“这是爱因斯坦犯的最大的错误,”爱因斯坦想!

当然,爱因斯坦的广相也证明了水星岁差,引力弯曲光,解释了宇宙膨胀,发现了黑洞,预言了引力波,等等。其实远不止这些,还有光电理论和分子运动理论,激光理论和玻色-爱因斯坦凝聚态物质等等。,这些都是爱因斯坦在理论物理上的贡献!

但是,爱因斯坦在量子力学上的错误是不可原谅的。也许他对世界的连续性太感兴趣了,以至于几乎放弃了他作为量子力学先驱之一的地位。他反对前期从根本上推翻量子力学,中期反对与玻尔的对抗,后期反对量子理论的不完备。几乎可以说,即使爱因斯坦在1927之后去钓鱼,对科学界也不会有什么大的损失。可见爱因斯坦还是犯了错误。

但是,我们要明确的是,尽管爱因斯坦在量子力学上有所延迟,但他的各种思想实验是量子力学持续坚实基础的重要来源。也许对手的实力正在赋予量子力学一种野蛮生长的模式,但至少证明了爱因斯坦不是神,他是一个活生生的人。无论如何,我们钦佩他的勇气和伟大。他开创性的理论,即使在未来几百年,依然会在科学界熠熠生辉,爱因斯坦的传奇也将在科学界永远流传。