愛因斯坦的相對論,大多數人都會有這樣的誤解,你也有嗎?

2020-12-06 天文在線

大多數人都理解反了愛因斯坦相對論的邏輯。不幸的是,這個邏輯的反轉正是愛因斯坦的獨創性的立足點,也是因為這個,他果斷地與洛倫茲,龐加萊,菲茨傑拉德,海維希德和其他在他之前便擁有部分理論成果的人斷絕關係。

錯誤地理解相對論的邏輯還導致人們擔心相對論中沒有明確解釋時鐘是如何變慢的,或是為何米尺會縮短。同時,他們還想知道為何物理學家們總是對狹義相對論的特定理論如此確信,儘管同時,有不少其他的已被代替。

通常情況下,在解釋相對論和其他大部分理論有何不同時,愛因斯坦自己心如明鏡。

「我們可以區分出許多種物理理論,其中大部分是建構式。它們試圖從一個相對簡單的方程式出發,來描繪出更為複雜的現象。因此,氣體動力論試圖減少分子運動的機械性質、熱學和擴散過程,例如從分子運動的假設出發。當我們說我們成功地理解了一組自然過程,我們總是認為一個建構式理論已經被發現來解釋這些過程。

除了這一類最重要的理論外,還有第二種理論,我也稱它為『原理式理論』。這種理論採用的是分析而非綜合的方法。它的基礎和出發點不是假設的原理,而是靠經驗得出的自然過程的一般特徵和產生數學公式標準並且每個自然過程和它們的理論也必須滿足的準則。

因此,熱力學通過分析的方法,從普遍經驗的事實,即永動是不可能的,推導出必要的條件,這些條件是獨立的事件必須滿足的。構建式理論的優點在於完整性、適應性和清晰的條理,而原理式理論的優點則在於其完美的邏輯和可靠的基礎。

相對論則屬於後者。」

構建式與原理式相對的方法是愛因斯坦思想有別於其前輩的地方。洛倫茲、海維希德和龐加萊在試圖解釋以太漂移實驗的無效結果時,將已知物理理論的構建式理論組合在一起。也就是說,他們研究了在以太的靜止框架中構造的電磁學方程,然後計算出像帶電球體這樣的物體在以太中受到激發時可能會改變形狀(由此推出洛倫茲收縮等現象)。

愛因斯坦所做的則完全不同。他沒有從以太框架中構建的物理定律入手,也沒有用它們來構建微物理結構來解釋該框架的不可探測性,而是把整個問題反轉了過來。也就是說,他假定這種不可探測性的確是普遍的,它確實是自然法則的一部分,並把它提升到為一種原理。有了相對論的原理,有了光的假設,愛因斯坦繼續推導出這兩個特性對於物理定律意味著什麼。在其1905年的論文中,構建起所有以上內容只用了一頁,剩餘其他的部分則用來推導結果,這些結果之後在力學和電動力學中都十分普遍(當時主要的構建式理論)。

數學家應該認識到愛因斯坦的原理方法與他們處理的邏輯結構相似。基於一些前提,他們可以得出概括性的結論,這些結論只有在這些前提的領域才是準確有效的。典型的例子當然是歐幾裡得幾何學(諷刺的是,相對論最終還是引導了愛因斯坦)。

民間流傳的說法是,愛因斯坦的舉動一開始令「建設者」感到震驚。龐加萊曾諷刺地說,愛因斯坦只是因為假設了他和其他人想要證明的東西而受到讚揚。無論這是不是最初的反應,幾年之內,他們就理解並開始欣賞起了愛因斯坦的方法的力量。洛倫茲還明確地把功勞歸於愛因斯坦,因為他推動了這種概念上的轉變,並能夠帶來這麼多深遠的影響。

愛因斯坦與熱力學相似的觀點是有幫助的,因為它給出了一個例子,一個原理式理論是如何強大,並且保證在它周圍的物理學發生巨大變革時仍然有效。

卡諾特和克勞修斯在構建熱力學時,沒有考慮任何氣體或物質的微觀物理理論。他們完全不知道微觀物理學是什麼,他們把他們的理論建立在四個原則上(三個定律加上所謂的第零定律),並且要求我們接受這些原則。他們展示了一個人如何能夠推導出任何涉及熱的過程的許多預測,而不考慮微觀物理學。這些最初的理論之所以被認可,僅是由於它們表面上獲得的成功。這是一個巨大的優勢,因為熱力學能夠通過氣體動力學理論,原子理論,量子革命的創新來保持它的有效性,現在正被應用到像黑洞這樣的奇異物體上。熱力學本身並不關心我們現在可以在它下面用統計力學來解釋許多物質。但有趣的是,我們可以這樣做,這是很有價值的工作,但它與熱力學邏輯無關,只要它的四個原理是有效的即可。

與相對論的相似之處應該是顯而易見的。愛因斯坦提出了他的兩個原理,並利用它們推導出任何物理過程的各種結果,這些物理過程涉及到相互之間相對運動的物體。同樣,這個推理完全獨立於微觀物理學。沒有人需要確切地擔心是什麼微觀物理過程使米尺縮小,或使時鐘運行得更慢。解決這些問題固然很有趣,但構建這些解釋並不是理論的邏輯。作為一種原理式理論,該理論認為,只要這些原理是合理的,任何能夠作為測量米尺或時鐘的物體都必須按照愛因斯坦的描述來工作,不管它是如何建造的,或者在原子水平上發生了什麼。因為如果不是這樣,就有可能區分出一個慣性系和另一個慣性系。因此,愛因斯坦的邏輯在量子革命、量子場論以及在可預見的未來的任何新物理學中都保持著活力。

那些不承認相對論是一種原理式理論的人可能會感到相當困惑,物理學家準備把幾乎一切都押在一個世紀之久的洛倫茲協方差概念的持續有效性上,而表面上類似的(構建式)理論卻不斷地被取代。這是有區別的。

值得注意的是,愛因斯坦也是從構建式的方法開始的,但最終意識到沒有任何進展。這就導致他開始尋找更有效的方法:

「漸漸地,我對通過基於已知事實的構建式努力來發現真正規律的可能性感到絕望。我越嘗試,便越絕望,同時我就越相信,只有發現一種普遍形式的原則,才能使我們得到確定的結果。在我之前的例子就是熱力學。」

雖然這句話的版本經常被重複,但我找不到龐加萊說或寫這句話的來源。我能找到的最接近的是洛倫茲的一句話,但這是在他讚揚愛因斯坦的背景下,並承認他的方法更為有效。如果有人知道可靠的消息來源,請告訴我。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.forbes-忙碌的北門

如有相關內容侵權,請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 霍金理論是求解相對論!如果沒有愛因斯坦,相對論還會被發明嗎?
    為了大家便於閱讀,文章中使用「發現」一詞(這個問題暫不討論了)愛因斯坦是20世紀最偉大的科學家,這一點沒有任何爭議。而霍金的去世恰好撞上愛因斯坦的生日。兩個偉人就以這樣的方式「重聚」了。霍金的去世也刷爆了朋友圈,愛因斯坦的話題也順帶被引爆了。輿論一邊倒的認為愛因斯坦是超級大牛。但是你對他的認知客觀嗎?其實愛因斯坦也是人,並不是神!
  • 如果世界只剩你一個人 有敲門聲你會開門嗎愛因斯坦回答讓人意外
    但是身為科學家,愛因斯坦說的話總是有一點高深的,如果每個人都能聽懂,那就不叫科學家了,之前有一句話,「這個世界上,所有人都消失了,只剩你自己,剩你一個人生活,突然你房子傳來了敲門聲,那麼是誰在敲門?」,這句話帶有一點恐怖氣息,但是愛因斯坦提出的一個困惑,他認為是要開的。不過這樣的事情會真的發生嗎?其實如果我們仔細的看看這句話的邏輯,如果真的只有你自己了,這時候門傳來聲音,是誰在敲門?
  • 你知道這些日常用品的發明,也有愛因斯坦的功勞嗎
    導語:提起愛因斯坦這位偉大的科學家,大多數人首先想到的可能會是相對論,然而你或許不知道,我們如今使用的不少日常物品,其發明創造的背後也有著他的一份功勞哦。1920年代,照片拍攝於愛因斯坦訪問華盛頓期間。
  • 牛頓提出萬有引力,愛因斯坦卻說引力不存在,相對論顛覆你的常識
    愛因斯坦卻是幸運的,他顛覆了物理學開山鼻祖牛頓提出的經典時空觀,卻幸運地趕上了天有異象,驗證了自己的理論並得到了學術界的認可。愛因斯坦的一生充滿傳奇,他的相對論更是物理學上的一朵奇葩。一個物體,最初我們看到的它就是靜態的,是完完全全的它,可當它運動起來,在我們的眼裡,就因為遠近有了大小之分,而它運動的聲音也有了高低之分,那麼運動的物體還是原來的物體嗎?不,他們還是原來的物體,只不過我們更理解它的本質了。世界上的萬事萬物,都在不斷地變化,這樣的相對論頗有那句「人不可能兩次踏進同一條河流」的哲學意味。
  • 牛頓提出萬有引力,愛因斯坦卻說引力不存在,相對論顛覆你的常識
    愛因斯坦卻是幸運的,他顛覆了物理學開山鼻祖牛頓提出的經典時空觀,卻幸運地趕上了天有異象,驗證了自己的理論並得到了學術界的認可。愛因斯坦的一生充滿傳奇,他的相對論更是物理學上的一朵奇葩。相對論的誕生也是如此。一個物體,最初我們看到的它就是靜態的,是完完全全的它,可當它運動起來,在我們的眼裡,就因為遠近有了大小之分,而它運動的聲音也有了高低之分,那麼運動的物體還是原來的物體嗎?不,他們還是原來的物體,只不過我們更理解它的本質了。世界上的萬事萬物,都在不斷地變化,這樣的相對論頗有那句「人不可能兩次踏進同一條河流」的哲學意味。
  • 為什麼愛因斯坦的相對論沒得諾貝爾獎?是相對論的價值太低嗎?
    我們知道,愛因斯坦是一個偉大的理論物理學家,他曾因為解釋了光電效應,而獲得了1921年的諾貝爾物理學獎,但我們更加熟悉的,應該是愛因斯坦的相對論。奇怪的是,相對論卻沒有讓愛因斯坦再次得到諾獎,是因為相對論的價值不配得到諾貝爾物理學獎嗎?今天我們就來看一下。
  • 多虧了愛因斯坦的相對論,才有這樣的10大認知
    這意味著在天空中靠近太陽的背景恆星的位置,包括在日食期間,看起來應該略有偏移,因為太陽的引力會使光線彎曲。但是在日食實驗之前,沒有人能夠檢驗愛因斯坦的廣義相對論,因為沒有人可以在白天看到太陽附近的恆星。
  • 多虧了愛因斯坦的相對論,才有這樣的10大認知
    愛因斯坦認為空間和時間交織在一個無限的、就像張開的毯子一樣的「織物」狀中,諸如太陽之類的重物會通過引力彎曲這個時空毯,使光線在經過太陽時不再沿直線傳播。    這意味著在天空中靠近太陽的背景恆星的位置,包括在日食期間,看起來應該略有偏移,因為太陽的引力會使光線彎曲。但是在日食實驗之前,沒有人能夠檢驗愛因斯坦的廣義相對論,因為沒有人可以在白天看到太陽附近的恆星。
  • 愛因斯坦發現了相對論,但為什麼沒有獲得諾貝爾獎,原來是這樣
    愛因斯坦發現了相對論,但為什麼沒有獲得諾貝爾獎,原來是這樣大家好,歡迎關注「精彩歷代史」,今天呢,又到了小編每天給大家講講歷史的時間,希望各位看官們看完心情愉悅,看的高興,現在就讓小編帶你們走入歷史的世界,一起暢遊歷史的海洋吧
  • 愛因斯坦反對量子力學是誤解
    多年以來,愛因斯坦的話已經成了他反對量子力學及其隨機性的標誌,但人們其實誤解了他。「上帝不擲骰子」——愛因斯坦的名言中很少有哪句話像這句被引用得如此之多。人們自然而然地把這句名言當做他斷然否定量子力學的證據,因為量子力學把隨機性看作是物理世界的內稟性質。在大眾心目中,故事是這樣的。愛因斯坦拒絕接受這樣一個事實:一些事情是非決定論的——它們發生就是發生了,人們永遠找不出原因。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    於是,他就繼續琢磨,這樣想問題就想得深入了一些。當然,愛因斯坦說他智力發育比較慢,你信嗎?但是他確實一直都像孩子一樣,對許多大人們都習以為常的東西繼續刨根問底。幾年以後,愛因斯坦又從「慣性質量等於引力質量」這個被大家視為巧合的地方開始深思,最後創立了廣義相對論。
  • 如果世界上只剩你一人,有敲門聲會開門嗎?愛因斯坦回答讓人意外
    但是身為科學家,愛因斯坦說的話總是有一點高深的,如果每個人都能聽懂,那就不叫科學家了,之前有一句話,「這個世界上,所有人都消失了,只剩你自己,剩你一個人生活,突然你房子傳來了敲門聲,那麼是誰在敲門?」,這句話帶有一點恐怖氣息,但是愛因斯坦提出的一個困惑,他認為是要開的。不過這樣的事情會真的發生嗎?其實如果我們仔細的看看這句話的邏輯,如果真的只有你自己了,這時候門傳來聲音,是誰在敲門?
  • 愛因斯坦:中國古人早就發現了相對論,這話有確切依據嗎?
    有疑慮的聲音會提問,千年前的荒誕怪談怎麼會與後世的偉大科學發現有聯繫。但其實,愛因斯坦早就曾說:中國古人早就發現了相對論。而這話是真的嗎?又是否有確切依據?本文所述,即是對此事真偽略作分析。在愛因斯坦的相對論引起世界學術界的軒然大波後,曾有科學愛好者夥同報社記者在愛因斯坦家的門前堵截,要求他以最通俗的話來清晰的說明相對論是什麼。因為在當時,全世界範圍內也少有高明的科研學者能夠讀懂愛因斯坦關於相對論的學術著作。
  • 上世紀最大的謊言:愛因斯坦並非死亡而是驗證相對論中的平行世界
    在大家的認知世界裡,公認的近代西方物理大牛就是愛因斯坦,他所提出的物理學理論打開了物理界的另一扇大門,引導物理學進入新的篇章,也給近現代的發展提供了堅實科學基礎,然而就這樣一個舉世聞名的人物,在去世之前做出的事令人費解,實屬匪夷所思。
  • 被評為「世紀第一人」的愛因斯坦,真的對了嗎?
    愛因斯坦被時代雜誌評選為「世紀第一人」,他提出的狹義相對論,就像是一道短促而強烈的光輝,照亮了廣闊的未知領域。廣義相對論的引力理論,把時空和物質完整地結合起來,我們常用的GPS全球定位系統,裡面就有相對論效應。然而科學具有可證偽性,愛因斯坦真的對了嗎?他做了哪些事情?什麼是狹義相對論?廣義相對論還存在著哪些問題?
  • 愛因斯坦發現狹義相對論的原因竟然就在你的冰箱上
    愛因斯坦發現狹義相對論的原因竟然就在你的冰箱上  Connor Feng • 2018-12-12 18:19:25
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    愛因斯坦自己倒是很謙虛地說,這是因為他智力發育比較慢,所以,很多同齡人已經思考過的問題,他沒有想通。於是,他就繼續琢磨,這樣想問題就想得深入了一些。當然,愛因斯坦說他智力發育比較慢,你信嗎?你要說地面和火車上的人覺得列車員的速度是一樣的,別人估計要建議你去看眼科了。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論
    然後,麥可遜就捧走了1907年的諾貝爾物理學獎,這也是美國人第一次獲得諾貝爾物理學獎。有些人可能有疑問:你不是說愛因斯坦有光行差和斐索流水實驗就夠了麼,那為什麼還要講麥可遜-莫雷實驗?而且,許多人對這個實驗,對它與狹義相對論的關係都存在非常大的誤解,這裡澄清一下也好。另外,我前面說了那麼多一階光學實驗,難道你們就不想看看二階光學實驗是什麼樣的?麥可遜-莫雷實驗就是一個設計得極為漂亮的二階光學實驗。
  • 黑洞、諾貝爾獎與相對論、愛因斯坦
    天體黑洞引力波,相對論裡有說道。」二愛因斯坦和相對論已經是一對固定搭配,人們提起愛因斯坦,必然能夠想起相對論。反之亦然。然而相對論究竟是什麼,黑洞,引力波等這兩年的獲獎項目和相對論又有哪些淵源?(1)狹義相對論 (Special Relativity)我們對於相對運動的概念,應該是不陌生的。我們看到高鐵從面前一閃而過,但正如「你站在橋上看風景,樓上看風景的人也在看你」,對高鐵裡的乘客而言,是你在外面一閃而過,他旁邊的人相對他並沒有動。
  • 有沒有可能愛因斯坦相對論誤導了科學家?
    網絡上對於相對論的質疑從來沒有停止過,這種情況很正常,畢竟相對論對人類固有思維的顛覆性實在太大了,它打破了人類幾千年來的固定思維模式。事實上,不要說普通人了,在19世紀末20世紀初,一大批著名的物理學家就是因為無法擺脫牛頓經典力學的束縛,最終與相對論擦肩而過!