有人比爱因斯坦先想到相对论?相对论的诞生历史,你知道吗?

小小怪 2022-06-1703:18:37名人评论20阅读模式

宇宙空间到底有什么?

这个问题,如果问今天的科学家,他们会说宇宙空间高度真空,最多也就只有一些辐射、星际气体及尘埃等等。但是,如果你要问20世纪初的科学家,他们会告诉你,宇宙空间充满了以太。

以太这个概念,听起来挺神秘的。实际上,它在2000多年前就由亚里士多德提出了。这个概念不仅神秘,还随着人类科学观的发展而变化。到了20世纪初,它被看作是光的传播介质。他们认为,光之所以能够在太空中传播,就因为太空中有以太。

问题在于,如果光真的通过以太传播,那么传播速度应该是不变的。然而,在著名的迈克尔逊-莫雷实验中,光被证明在不同的惯性系和不同方向上都拥有相同的传播速度,这对以太的理论形成了挑战。

一直到了1905年,瑞士专利局的一位小职员解决了这个问题。他发表论文称,人类应该摒弃以太的概念,因为无论观测者如何运动,测得的光速都是一样的。按照这个理论,人们甚至要改变时间的观念,承认在不同运动状态下观测到的时间流逝速度也会不同。

这些理论非常大胆,但人们很快就意识到这个小职员的理论有多么正确。这位小职员由此声名鹊起,成为了历史上最伟大的科学家之一,他就是爱因斯坦。

不过,在爱因斯坦之前,有些科学家已经意识到了相同的理论。我们知道,爱因斯坦的狭义相对论中,涉及到了几个公式,那就是洛伦兹变换,它们解释了以相对论速度(达到光速百分比)运动的物体在质量、长度、时间等方面发生的变化。

听这个名字就知道,洛伦兹变换是由一位名叫洛伦兹的物理学家提出的。洛伦兹老爷子明明找到了这个公式,有机会解释光速不变的现象,但他仍然停留在以太的世界里,明明走到了狭义相对论的门口,却没有敲门。

洛伦兹的许多成就都是很重大的,并且在1902年因为其他理论获得诺贝尔奖。这么杰出的物理学家也难免陷入思维定式,可见爱因斯坦打破传统有多难。

有一种说法大家可能听说过,那就是如果没有爱因斯坦,狭义相对论也会很快被提出;但如果没有爱因斯坦,广义相对论不一定要等到多久以后才能被认知。

在提出狭义相对论后,爱因斯坦就意识到了这个理论的局限性。他从1907年开始意识到万有引力可以超光速的矛盾,但直到1911年才开始仔细思考这个问题。

1912年,他找到的方向,那就是通过对几何学的调整,来建立引力与加速度的关系。但是,他又遇到了新的问题,那就是如何调整几何学。

幸运的是,他在朋友的帮助下,找到了答案,那就是黎曼几何。几十年前,当黎曼建立这个理论的时候,也只把它看作是纯粹的数学概念,他做梦也想不到这玩意能和现实世界挂上钩。

在恶补了一番黎曼几何后,爱因斯坦终于找到了梦寐以求的方程。在这个过程中,他还和数学家大卫·希尔伯特聊过这个话题。事实证明,专业的数学家做运算还是比爱因斯坦快,希尔伯特在爱因斯坦之前就找到了这个方程。不过,他只不过是完成了运算而已,思想和灵感完全来自于爱因斯坦,所以大家都承认是爱因斯坦建立了这个方程,提出了广义相对论。

广义相对论告诉我们,质量可以扭曲周围的时空,越大质量的天体对周围时空的扭曲越强烈。所谓的万有引力,其实是物质在被扭曲的空间中运动的结果。

广义相对论的提出,真的轰动了世界,在宇宙天体尺度下,它推翻了人们奉为真理的牛顿力学。而且,不论是1919年著名的日食观测还是解释水星近日点进动之谜,广义相对论都得到了完美验证,也不由得人们不相信这个理论。

毫无疑问,相对论是迄今为止最伟大的理论之一。然而,爱因斯坦终其一生都没有能够凭借相对论获得诺贝尔奖,这是为什么呢?

原来,直到20世纪初,人类的思维依然比较保守。当时的人们想:如果连时间和空间都是相对的,宇宙还有什么不是相对的?难道道德和信仰也都是相对的吗?正因如此,当时的人们对于相对论的争议一直很大。

然而,相对论的正确性在当时就已经毋庸置疑了,其伟大性更是不言自明,其提出者无法获得诺贝尔奖实在说不过去。1921年,爱因斯坦终于获得了诺贝尔物理学奖,但获奖理由并不是相对论,而是因为他解释了光电效应。

尽管爱因斯坦已经打破了传统观念,提出了相对论,但他也难以完全摆脱固有思维,甚至在提出广义相对论的同时犯下了他一生之中最大的错误。那么,这个错误是什么呢?咱们下一期再介绍~

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