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物理学历史绕不开的名字很多，牛顿、麦克斯韦、波尔以及杨振宁等等，同学们都很熟悉，但论人气第一，在中国首推爱因斯坦。无他，因为他带给大家的超光速、时间倒流、穿越时空太过神奇，你不引用其中一个都不好意思说你懂科学。 穿越时空 拜托了，各位同学，扔掉你地摊文学版的相对论吧，爱因斯坦哪有这么玄幻，虽然他的确是一个颠覆了物理学界的人。不过与科幻无关，还很科学。 这故事的开头，我们得先从牛顿说起。 猜出万有引力公式的牛顿感谢中国的九年义务教育，牛顿成为了一个让同学们无法回避的符号；小学时，你会被牛顿脑袋让苹果砸的故事所鼓舞；中学则为牛顿运动三定律和万有引力定律引发的运算而痛苦；好不容易熬到大学了，还得从牛顿力学体系中跳出来硬杠相对论体系。 牛顿表示，看来哪里都得有我嘛。 牛顿力学体系的核心——牛顿力学三大定律和万有引力定律公式到底是怎么得来的呢？我们有很大的理由相信，牛顿是猜出来的。 行星运行 牛顿发现万有引力定律的时候，开普勒（人称天空的立法者）已经从第谷观测的海量天文数据里归纳出了行星运动的三大定律，同时代的胡克、哈雷等人都有可能从里面猜出了引力和距离的平方反比关系，凭借平方反比这把钥匙，整个万有引力定律其实已经呼之欲出了。 我说这些并非在否定牛顿。好比你熟悉每一个音符，也不能一步登天成为伟大的音乐家。 牛顿的伟大在于，他从纷乱繁多的定律中，创造性的引入了数学，并顺手发明了微积分，构建起一个“万有”的逻辑自洽的力学体系，解释了当时世界上所有的运动关系。让科学最终取代了上帝来主宰整个宇宙的运行。 牛顿的视角吧 同学们注意了没，“万有”很重要，他让科学最终取代了上帝；同样重要的是，传统物理学研究遵循的规律实验-理论-对称性这样一条法则，牛顿也一同树立起来了，这是往后两百多年大家研究科学的铁律。 “万有”好理解，那么“对称性”是个啥？ 对称性与物理定律物理学天才大师费曼曾说，如果用一句话来概括现代科学最重要的发现，他首推 “世界是原子组成的”。如果有机会再补一句，毫无争议的将是 “对称性是宇宙规律的基础”。如果爱因斯坦来点评的话，他一定会肯定这个说法。 建筑物的对称性 对称广泛存在于我们日常生活中，而对称性的精确数学定义则表现为不变性——例如一个圆，你无论旋转多少度，它还是一个圆——旋转不变性。 物理学家不大关心一个圆的旋转，他们关心的是物理定律的对称性。简单的说，他们不让圆旋转，而选择自己绕着圆运动，观察者变换观察位置，圆也还是一个圆。引申到物理定律时，我们同样发现，两者是等效的。 如果将圆换成物理定律，那么我们认为一个物理定律在某些操作下保持不变，这个物理定律在这些操作下具有某种不变性。 我们刚刚讲过的牛顿运动定律就具备旋转不变性，旋转不变性的实质就是空间的各向同性。通过确立空间的各向同性，牛顿定律就可以在宇宙各个地方成立，牛顿万有引力的精髓——万有——才真正得以确立。 宇宙法则 这就是对称性的强大和无可替代之处。也是物理定律放诸四海皆准的来源。 爱因斯坦也靠猜吗？牛顿立了规矩，在他之后的物理学家就是按照实验-理论-对称性这样一条法则进行科学研究，简单的说，曾经的科学家们做各种实验，比较各种测量数据，然后去研究这些数据背后展现的规律，最后用一组数学公式来“解释”这些数据。 如果解释得通，他们就把它当做这种现象的物理定律。更进一步的话，还揭示了隐藏在理论里的对称性。 我们清晰的看到实验-理论-对称性这样一条法则贯穿其中，这也符合我们常规的经验和判断。大家一路打怪刷分，经典物理学进入百年的黄金时代。 时间来到19世纪末20世纪初，事情起了微妙的变化，两朵乌云袭来，物理学眼看风起云涌。 爱因斯坦勇敢的站出来，挽狂澜于既倒，对牛顿的铁律第一个说了不——把科学研究的过程给颠覆了。 对，就是我，爱因斯坦 爱因斯坦发现按照上面的过程，当问题变得比较复杂，或者实验结果超出我们的经验范畴，根本没有足够多的数据去猜公式的时候，老办法根本走不下去了。 对，我们指的就是相对论，特别是广义相对论。它们的诞生就是爱因斯坦不走寻常路的结果。 相对论有多难？铺垫了这么多，终于该我们的主角爱因斯坦正式登场了！我们知道爱因斯坦的大名，首先离不开他创立的狭义相对论和广义相对论。当然他极富传奇色彩的人生，也是加分项，但我们今天不讲八卦，专攻学术。 那么，为什么在历史中，从来没有人要和爱因斯坦抢夺相对论的发现权呢？要知道，强如牛顿，他的三大力学定律和万有引力定律，甚至微积分，都曾经为第一发明权的确立斗得天昏地暗，有些至今仍是历史悬案！ 这么说吧，狭义相对论还是可以争执一把的，但广义相对论则毫无争议，只能是爱因斯坦的独创之功。 时间相对性 狭义相对论的确是一个很接近被发现的理论，在1905年前后，纵观科学界发表的论文，和科学家的研究成果，其实很多物理学家都已经接近了狭义相对论。洛伦兹甚至都推导出洛伦兹变换了——狭义相对论的计算基本可以用洛伦兹变化完成。 简而言之，在狭义相对论的发现上，爱因斯坦的天才努力当然重要，但是运气很明显也站在了他这一边。他只要跨过摆脱绝对时空观的束缚，就可以把胜利的果实收入自己囊中。 爱因斯坦的颠覆性广义相对论则不同。 在20世纪初，唯一能联想到广义相对论的钥匙，只有一个水星近日点进动数据异常问题。它几乎是当时极少数不符合牛顿引力理论的表现。即使把时间指向2019年的今天，人们面对天王星轨道不符合牛顿引力理论这一问题，主流的反应仍旧是去探索处于遥远柯伊伯带的“第九行星”！而不是去思考去推翻牛顿力学体系吧。 水星 爱因斯坦抓住了唯一的钥匙，打开了物理学新世界的大门，并趟出了一条新路。 爱因斯坦意识到当理论变得复杂的时候，试图从实验去归纳出理论的方式是行不通的，他要找更加可靠的东西，这个更加可靠的东西就是对称性！ 爱因斯坦先通过观察分析，确立一个他认为可靠的对称性，然后从对称性出发，去思考新的理论。再通过数学，直接推导出理论方程。最后才是设计实验，用试验数据来验证他的理论是否正确。 宇航应用 这时候，原来的实验-理论-对称性变成了崭新的对称性-理论-实验。对称性从原来理论的副产品变成了决定理论的核心，实验则从原来的归纳理论的基础变成了验证理论的工具。这一个思路和这个思路下诞生的相对论，才是爱因斯坦伟大的精髓所在。 这个一个改变有多厉害？在爱因斯坦之后，物理学研究的方法彻底颠覆了，目前所有的物理学家都是这么干的。 广义相对论的真正价值爱因斯坦利用这样思路，首先挑选确定了广义坐标不变性，然后从这个对称性出发，推导出一套新的引力理论，再引入黎曼几何等数学工具，最后得到的就是广义相对论。 著名的爱因斯坦传记作家C.P.斯诺在传记中这样记录：狭义相对论，要是爱因斯坦没有想到，别人也会想到，很可能在5年之内。这是一件在等着要发生的事。但广义相对论则完全不同！没有爱因斯坦的创造，我们今天有可能还在等待那个理论。 宇航应用 为什么当时其他科学家看到广义相对论之后一脸迷惑，因为爱因斯坦是第一个这么反过来干的人。 正是由于广义相对论的大获成功，人们才发现原来理论研究还可以这么干，物理学才有了继续走下去的可能性，并且创造了今天的辉煌。 所以超光速、时间倒流、时空穿越都不是爱因斯坦的本意，对称性地位的颠覆性发现，才是爱因斯坦的真功夫。 你就根本不会了解爱因斯坦，也更无法理解广义相对论。 结语
时空穿越 爱因斯坦说过，上帝不掷骰子！但事实上，上帝一直在掷骰子，目前还根本停不下来。 但是，爱因斯坦也说过，如果上帝不选用对称性作为构造世界的理论，那么他简直就是瞎子！ 上帝没瞎，他这次没瞒过爱因斯坦的眼睛。 我是猫先生，感谢阅读。 |
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