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September 25 理解爱因斯坦传说爱因斯坦发表相对论的时候,全世界只有个位数的人能够理解。于是爱因斯坦这个名字就和高智商联系在了一起。 但爱因斯坦并非传说中那么聪明绝顶。 据传闻,他四岁才开始说话,而且很长时间内都有一些语言障碍。他上学的时候,制作小板凳,接连做了三个都不成样子。他喜欢小提琴,可是演奏起来周围的人都想逃走。他的数学很好,为了把广义相对论系统化,却不得不去恶补黎曼几何。作为物理学家,他从来没有亲手做过任何实验。 这些都不能否定爱因斯坦的伟大成就。他所以成为一代巨匠不是因为他的智商,而是因为他的心中存有一个坚定的信念。 多数教科书在讲述狭义相对论时都会基于两个假设,相对性原理和光速不变原理。相对性原理是说,以不同速度运动的人所看到的物理学的规律是相同的。光速不变原理说,以不同速度运动的人所看到的真空中的光速是一样的。爱因斯坦在这两个假设之上上使用一些初中生都能理解的数学推导,得出了匪夷所思的结论。这些结论完全改造了当时的物理学,并且在日后成为科幻作品中的重要素材。经常会看到书上说爱因斯坦推翻了经典力学,这是严重失事。相对论只是对经典力学做了精细化的修正,在本质上仍然是建立在经典力学的基础上。支持相对论的证据之一就是在通常(运动远小于光速)的条件下,相对论可以回归到牛顿力学。 由于那个光速不变原理的假设不能被很多人接受,加之使用的又是简单而且不甚严格的初等数学推导,即便到了今天仍有很多人企图证明其中的错误从而推翻狭义相对论,特别是国内的民科分子。不过这些人在广义相对论面前就束手无策了。广义相对论所使用的数学基础令挑战者望之却步(很少有人能看懂,当然也无从反驳)。张量分析、微分几何、场论、线性空间、黎曼几何、拓扑空间,任何一门课程都足以让人崩溃,更不要说把这些东西揉合在一起了。 其实,狭义相对论正真的核心只有相对性原理。在相对性原理下,麦克斯韦电磁场方程组必然会得出光速不变的结论(这也是爱因斯坦思考相对论的起点),因而之前提到的光速不变原理是多余的。相对性原理的本质是对绝对真理毫无质疑地坚持。通常情况下,物理学界没有人会对相对性原理表示怀疑:牛顿力学在什么情况下都是普遍适用的。物理学理所当然地应该在任何时间,任何地方都是相同的。可是我们在相对性原理的框架下却发现了许多不寻常的现象:无论如何努力,物体都不可能达到或超过光速;时间和空间本质上是相同的,并且可以因我们的运动状态的不同而伸长或缩短;物质和能量不但可以相互转换,而且根本就是一种东西;电和磁也是同一种东西,只是我们看得角度不一样……这时你还能坚持相对性原理吗?爱因斯坦选择站在绝对真理这边,后来一次又一次的实验证明了他的选择是正确的,于是爱因斯坦成为了天才。所有的反对者都是因为不能容忍与直觉不符的结论而拒绝接受相对论。 在广义相对论中,爱因斯坦把相对性原理从惯性参照系扩展到任意参照系。背后的意义更加明确了:真理在任何时间,任何地点,对于任何人来说都是相同的。从广义相对论看去,呈现在我们面前的是一个奇异的世界:我们所处的时空会因为其中的物质产生扭曲(不仅是空间弯曲,同时时间也会弯曲,这为时空穿梭提供了依据),而宇宙注定要不断地膨胀或收缩。人类的直觉又一次遭遇空前挑战,同时爱因斯坦也又一次坚持了他的信仰。 是否真的存在“绝对真理”是个见仁见智的哲学问题。至少目前在物理学中还没有找到可以否定这个信念的事实。 我们都知道“能量守恒定律”。定律就是不证自明的道理,因此很少有人问:为什么能量是守恒的?现代物理学研究表明,如果我们相信物理学的规律在任何时间都是相同的,那么能量守恒就是一个必须被满足的条件,从而由定律降格为推论。同样的,如果我们相信物理学的规律在任何地点都是相同的,那么动量守恒也成为了一个自然而然的结论。这种完美的逻辑自洽,坚定了我们对绝对真理的信心。 继广义相对论之后,爱因斯坦把他的后半生都投入到另一个宏伟的计划中——用一种理论统一整个物理学。这个理想太宏大了,他老人家最终壮志未酬。不过爱因斯坦的精神影响了之后整个物理学界。虽然到大统一理论迄今为止还没有完全实现,但最新的物理学成果还是为我们带来了不少希望。 其实,理解爱因斯坦并不困难,只需要了解他一直坚持的信念,有点类似柯南的名言:“真理只有一个”。 Comments (3)
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