相对论有多牛 「相对论」到底牛在哪

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这是这个小专题的第四篇,也是最后一篇。

第二、三篇因为有公式推导,有朋友说没有第一篇写得好——“差评”。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

这种批评我接受,因能力有限,有些地方实在没有办法用纯文字的逻辑把天生的数学推导表达完整,我的第一宗旨是要写清楚,第二才是文字的简洁。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

但本篇,你放心,没有一个公式,但依然精彩,因为就差广义相对论、量子力学和爱因斯坦在生活中一些你不太知道的故事了。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

故事结尾比较伤感,情感丰富的朋友或许还会读出悲壮来,我写完堕泪如雨,如果你是这样的人,准备一点纸巾为好。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

我们从爱因斯坦创造奇迹之前开始。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

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14岁的爱因斯坦文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

(一)爱因斯坦,在26岁创造奇迹之前,很普通吗?

我看到很多文章说爱因斯坦小时候性格上有“缺陷”、高中肄业、大学成绩不好,以至于毕业后找不到工作,不得不去专利局找一个下等工作糊口等等。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

这是事实吗?文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

这是事实。但之所以那么多自媒体着重写这一段,不过是为了满足我们这些凡人的情感诉求:文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

——一个资质平庸,甚至为生计发愁的人通过自己坚持不懈的努力,终于成了人类的英雄,用一己之力改变了世界。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

我们愿意看这样的好莱坞大片,也愿意听这样的励志故事。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

但爱因斯坦在1905年奇迹之年之前,是怎么样的天资和生活状态呢?我们了解了这一段,自然就知道了这是不是一个人生翻盘的励志故事了。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

上世纪八十年代,在我们的教室墙壁上,总有这样的一句名人名言——天才,等于99%的汗水+1%的灵感。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

但爱迪生这句话的后面,其实还有一句:但那1%的灵感是最重要的。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

爱因斯坦,就是拥有那可贵的1%灵感的天才。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

从小,爱因斯坦的物理直觉就了不得,比如他在5岁时对一个指南针很感兴趣,这个年纪的孩子充满好奇很正常,但爱因斯坦的思路就非常清奇:文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

——他不单单觉得这个针头永远指着同一个方向很神奇,他的想法是空间居然不是每个方向都是对等的,居然有一个特殊的方向,为何会这样呢?他觉得是因为我们所在的这个空间有问题。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

此时他才五岁,而我五岁时还在地上摸羊屎蛋蛋玩。文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

而这种在物理领域宝贵的清奇思路,他一直保持着,比如在他16(1895年)时写的第一篇论文《磁场里以太的状态研究》,这篇论文就思考了一个我们现在很多人都想不明白的问题:文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

——一个人要是以光速运动,要是一束光与他同向而行,他会看到什么?文章源自千度号-https://www.taibaowl.com/31458.html

要是以牛顿的经典物理学来解答,两个物体以相同的速度同向而行,那这两个物体就是相对静止的。这个很好理解,比如我们在火车站经常有这样的错觉,旁边的列车和自己的列车同速同向而行,要是没有别的参照物,你还以为自己的车没有动。

但爱因斯坦说,在光速面前不是这样的,即使自己和旁边的这束光同速同向,根据麦克斯韦的理论,我看到的这束光还是以光速在运动。

由此,他对经典物理学产生了巨大的疑惑甚至叫怀疑,而此时他只有16岁,刚上高中。

也是这一年,他报考了瑞士苏黎世联邦大学理工学院,并被录取了,可惜当时并没有像我们这边的大学少年班,校方没有允许他直接跳级上大学,要求他“扎扎实实”把高中念完再说。

第二年他就取得了高中毕业证,并顺利进入瑞士苏黎世联邦大学理工学院,这所学校已经是当时欧洲最好的大学之一了,但爱因斯坦觉得这个学校太差了,因为麦克斯韦的理论已经问世了40年,这所学校居然没有老师教授这门课。

于是,爱因斯坦就逃课,自己继续去钻研麦克斯韦。

和我们现在一样,老师们对“刺儿头”的态度永远是刻薄的,爱因斯坦看不上这些“过时”的教授,教授们也觉得这个人不听话,而且还懒(不上课,还不交作业),这些教授刻薄到什么程度?

他们竟然建议爱因斯坦改行去学医。

这对于一个天生的物理学家来说,是莫大的侮辱。

但在这所“最好的”大学里,爱因斯坦也并非一无所获,他在这里结识了他的妻子米列娃,说来神奇——米列娃是从医学换行学物理学的,而教授们却建议爱因斯坦从物理学转行去学医。

或许是教授们真的不喜欢爱因斯坦,也可能是一个人不把考试成绩当成学习的终极目标,而是把钻研真理当成目标时,他对分数就没有那么在乎。

两个人在1900年大学毕业时成绩垫底,物理系总共有5个人毕业,爱因斯坦排第四,米列娃排第五得重修一年。

前面三位都得到了正式的“教职编”,成了职业的科学家,吃喝不愁,而爱因斯坦两口子不得不为了生计奔波,真的是一分钱难倒英雄汉,他为了养家糊口到处去给别人做家教(这可能是这个行当最牛叉的家教了),后来好不容易在专利局找到了一个很低职位的工作。

到此,爱因斯坦确实和很多胸怀大志而面对现实的人很像,在五斗米面前,头颅不得不低下去。

这就是爱因斯坦26岁之前的生活。

而与很多人不同的是,他是真正的天才,且极其幸运,幸运真的是实力的一部分。

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25岁,还在为五斗米折腰的爱因斯坦

(二)这个天才,奇迹创造的速度令人震惊!

有些事情,不得不说是上天安排好的,比如爱因斯坦创立狭义相对论。

为何必定是他呢?

上节说了他极其幸运,幸运之处主要有两点:

  1. 此时的物理学界正处于巨大的困境之中,麦克斯韦留下的那个巨大的疑问——光速,到底是相对于谁的?这个问题已经过去了几十年,没有人能解答;
  2. 此时的爱因斯坦,正处于一个物理学家创造力的巅峰时期。

上节的最后也说了他的天才,他的天才之处也有两点:

  1. 当时除了他,还有两个人其实也摸到了相对论的大门,一个是数学家洛伦茨,但很可惜他在物理学上的造诣不是顶尖的;一个哲学家彭加莱,他也是物理学不够好。这两人即使摸黑到了相对论的门前,但要打开这扇通往全新世界的大门,总差那么一点点;
  2. 而爱因斯坦不仅在物理上是顶尖好手,他在数学上也是数一数二的(我们知道,数学最基础的底层学科,他在十几岁时自学了微积分),更难能可贵的,爱因斯坦没有被已有的知识限制住自己的想象力,他自始至终都有一副自由自在的眼光,他从小那种对物理的直觉一直都在,还敢于质疑现状,敢于放飞自我,然后再严密推理。

正是因为真正的天才还处于创造力、想象力的巅峰,他在1905年创造了奇迹。

在瑞士一个不起眼的专利局里,小小的助理检定员阿尔伯特·爱因斯坦用非工作时间搞出了六个物理学领域研究成果,用杨振宁的话来说,这六篇论文引发了人类关于物理世界的革命:光、时间、空间、能量与物资的革命。

6月9日——爱因斯坦发表了一篇关于“光电效应”的论文,他说光的能量不是连续的,而是一份一份不连续的,是量子化的,这篇论文洞开了「量子力学」的大门。

而在这之前,物理学家们一直认为光是连续的波动,这篇论文在15年后还获得了一个小奖——诺贝尔奖。

7月18日——爱因斯坦又发表了一篇关于“布朗运动”的论文,这是人类第一次证明了分子和原子的存在(当时的显微镜太弱鸡了,看不到这么微观的东西)。

9月26日——爱因斯坦再次发表了一篇关于“电动力学”的论文,这就是狭义相对论。

11月21日——爱因斯坦发表了《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,这篇论文运用狭义相对论严密推到了震惊世界的量能方程:E=mc²。

... ...

这些颠覆世界的重量级论文以这样的速度发表,你敢信?

我觉得如果这不是事实,脑洞再大的作家要是敢这么写小说,估计会被键盘侠的喷成抑郁症。

别的伟人都是用诞生或仙逝的日子作为纪念日,只有爱因斯坦是用「1905年」来纪念的。

在上篇,我留了一个尾巴:

当人们还在抓耳挠腮消化狭义相对论时,爱因斯坦正在思考是不是有个更简洁更牛叉的理论,能把狭义相对论也包含进去,进而可以用这个理论解释宇宙万物所有运动。

这个理论就是——广义相对论,他用了十年终于完成,在1915年发表。

我们接下来详细聊聊这个话题。

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(三)广义相对论,物理学与我们的普通大众的距离

什么是广义相对论(广义的相对性原理)?

说白了,就是他想再次看破自己的狭义相对论——找到一种思想或者叫做一组公式,这种思想、公式能解释所有的坐标下,物理定律其实是一回事。

广义相对论的数学非常复杂,他自己最后都是请了数学家才完成了这种思想在数学上的表达,但思想非常简明扼要,概括起来就两点:

  1. 物质“告诉”时空如何弯曲——一个有质量的物体,会弯曲他周围的时空;
  2. 时空“告诉”物质如何运动——在不受外力的情况下,一个物体总是沿着时空给它的最短路径运动。

其他的结论都是这两点的推论。

过程就不说了,说一个反认知的点——爱因斯坦觉得,引力是我们的幻觉。

先不要惊掉下巴,我们先看看他是怎么想的:

当我们在地面上会感受到地球的引力,但当我们处于失重的自由落体状态时,又感受不到地球的引力了。

如果引力是真实的力,怎么会在一种状态下有,在另一种状态下又没有了呢?

那只能说明引力是幻觉(回头看广义相对论里,压根儿就没提引力,就是因为他看破了引力不是力的一种)。

广义相对论的提出已经过去了一百多年,也已经被物理学家和天文学家通过严密的实验证实了他的正确(1916年通过观测日全食,看到了太阳背后本不应该看到的星光,这就证明了太阳弯曲了周围的时空,而牛顿力学认为光是永远走直线的)。

但很多相对论的结论到现在,我们还是难以接受,比如这个“引力不是力”的问题,接受起来就会很难,可能也有人会因此喷我,但我只能说:

物理学家们走得实在太快太远了,而普罗大众的接受能力和教育的与时俱进,要比他们慢太多太多。

你看相对论,虽是一百多年前的理论且证明无比正确,可学校教的还是几百年前的牛顿力学。

既然是说爱因斯坦,前面也说了他的那篇论文洞开了量子力学的大门,那我这个小专题就绕不开他与量子力学的恩恩怨怨。

接下来我们说说这个。

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(四)爱因斯坦与量子力学:坚持自己还是采纳意见?

这是个问题!

克里斯坦森在《创新者的窘境》中提出了一个深刻的道理:

当我们坚持了某种理念而取得成功后,往往会被这个理念所绑架。一个曾给企业带来巨大成功的创新,在后来这个理念又会成为包袱,阻碍企业去尝试别的创新。

那我们是该坚持自我,还是应该敞开胸怀呢?

没有正确答案,成功的人都会总结自己的成功之道:

  • 坚持了自我而成功的人会告诉你——你要坚持自己的意见啊,你看我就是排除万难坚持到底才成功的;
  • 敞开胸怀而成功的人也会告诉你——你不要那么固执己见啊,你看我就是吸纳了众家之长才成功的。

回到爱因斯坦,他之前的所有开天辟地的理论都是前者,都是坚持了自己,不管坚持自己后的那些推论看起来有多么“离谱”,他都接受了那些离谱,有的是自己证明了那些离谱是对的,有的是别的科学家证明了那些是对的。

但在广义相对论问世后的一个推论,他一改常态,放弃了自我坚持,还铸成了他自认为不可原谅的大错:

——这就是“宇宙常数”。

通过广义相对论,他推演出了宇宙是不断膨胀的,是“活”的。但在当时的科学家的宇宙观里,宇宙本身是恒定不变的。

这一次,爱因斯坦没有坚持,他接受了大家的意见,他在本已是完美的广义相对论的方程里”画蛇添足“地加入了一个宇宙常数“Λ”,虽然他自己也不知道这个宇宙常数代表着什么物理意义,但他还是加紧进去了,这样做有两点“好处”:

1、广义相对论公式符合了大家的宇宙观——宇宙,是静止的;

2、在当时已知的银河系范围内,加入或不加,方程组解出来的结果是一样的。

但十几年后,天文学家哈勃(就是那个哈勃望远镜的哈勃)系统系地观测到了远方的星星都在离我们远去(原理是红移现象:离我们远去的星光,波段会边长,从而发红),对此只有一个解释:

——宇宙不是静止的,它无时无刻不在膨胀。

原本的广义相对论方程异常完美,宇宙常数真的是画蛇添足。对此,爱因斯坦后悔不已,他原本有机会在十几年前就提出宇宙膨胀学说的。

或者就在此刻,他决定:无论后面遇到什么事情,他都不会再放弃见解。而这一次对自己的提醒,在面对量子力学时,他又错了!

几乎是提出广义相对论的同时,物理学在微观世界里正在展开同样重大、同样震撼的革命性探索,这就是量子力学。

虽然是爱因斯坦第一个提出光并不是连续的,而是一份一份的“光子”,但或许是在相对论上用去了太多的心力,爱因斯坦没有在这个微观领域继续向前,反倒是一开始反对“量子”学说的波尔后来接受了这个理论,并坚定地走了下去。

波尔在爱因斯坦的基础上,向前走了一步提出了新理论:

——不仅光是一份一份不连续的,就连原子中电子的轨道也是不连续的,电子只能从一个轨道突然出现在另一个轨道,而不需要什么中间地带。

这一次,爱因斯坦决定坚持自我,他完全不能接受波尔的这个学说,他无法相信有什么东西可以在空间中像变魔术一样“跳跃”。

他的相对论确实认为尺寸、时间、都是相对的,空间也是可以被弯曲的,但你总得尊重时空是连续的,是相连的吧?怎么可能有东西一开始在这里,不经过任何运动过程就突然出现在那里呢?

但这还不是最难理解的,后来物理学家又发现,有的粒子可以在同时即出现在这里,又出现在那里!

爱因斯坦快疯了,他拒绝接受量子力学。

这一次,历史抛弃了爱因斯坦,量子力学的时代来临,到了1930年,几乎所有的主流物理学家都站在了量子力学的那一边——就像当初他们站在相对论这边一样。

爱因斯坦,被主流孤立了。

他会放弃自己的主见吗?

不会,他不要再犯那个“宇宙常数”的错了。

1933年他定居美国,在大学里做教授,但他离群索居,与同事和家人渐渐疏远,他一直在找那个统一的理论,希望把宏观与微观统一起来,而不是像量子力学那样“胡闹”。

这样的苦苦求索一直到了1955年的那一天,76岁的爱因斯坦生病,他被送到医院时,医生说:

“不要担心,这个病的诊疗方案已经很成熟,很快就能治好。”

但爱因斯坦拒绝治疗:

“我想要离开时请让我离开,我已经完成了我该做的,一味地延长生命是毫无意义的,现在是该离去的时候了,我要优雅地离去。”

1955年4月18日晚,爱因斯坦在这个午夜的睡梦中安静地走了。

学校里最好的同事给他整理遗物,在他办公室的黑板上发现了好几个公式,而这几个公式计算后的结果是:

没有任何东西,是个死胡同... ...

(完)


扩展:

当初相对论对于经典力学,是一次站在巨人肩膀上的飞跃,也就是说爱因斯坦与牛顿是同向的,只是相对论比经典力学解释的范围更大了。

但相对论和量子力学,却存在根基上的对立,相对论认为时空是连续的,只要坐标系定了,位置、速度都是唯一的,相对论认为一切运动都可以用计算精准的算出来。

而量子力学却正好相反,它认为在量子的世界里,速度、位置都是随机的,一切都是概率。

就像上一次麦克斯韦提出“光速是相对于谁的?”一样,物理学,再一次“陷入了危机”!

而要统一「相对论」与「量子力学」的牛人在哪里?

我不知道。

或许,是你的孩子,是你的孙子... ...

但终究有一天,这个世界的终极真理会被人类的大脑看破,就像哥白尼看破了天与地,像牛顿看破了万有引力,像麦克斯韦看破了电与磁,像爱因斯坦看破了光一样,告诉世人:

——宏观和微观,其实是一回事。

你看,是这样的... ...

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  • 本文由 发表于 2022年11月21日 23:08:47
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