如果要問愛因斯坦為什麼會發現相對論,我們可以從兩方面去談:
外部因素:物理理論的矛盾內部因素:愛因斯坦的個性&物理直覺
外部因素:物理理論的矛盾
這事其實要從伽利略說起,伽利略發現,運動是相對的,我們現在也管這個理論叫做:相對性原理。比如說,如果你在一艘船裡面,這艘船很平穩,那麼你很難了解這艘船是前進還是在後退,如果你有個小球,然後向上拋起,那這個球基本上還是落回原地。這其實就是伽利略的一個思想實驗。
現實生活中也很常見,我們去做火車,常常有這麼一個錯覺,那就是如果你旁邊也有一輛列車,這個時候,無論你所在的列車啟動了還是對面的列車啟動了,你都很難分清楚到底誰啟動了。
後來,牛頓在把伽利略的這套理論納入到了自己的世界觀當中,成為了牛頓力學在解釋運動學時的一個重要的法寶。
但是,我們可以考慮一下,如果有個小人以5m/s的速度在一輛汽車上走,車速是10m/s,車子的運動方向和小人是相同的,這時候如果有一個地面觀測者,我們就很容易得出一個結果,那就是速度小人的速度是15m/s。
那我們再想得極致一下,如果車子內的小人沒在走,而是拿手電筒射出一道光,那這道光的速度是多少?如果按照牛頓力學的觀點,在地面觀測者看來,光的速度就是光速+車速。這裡我們要留意一點,那就是對於牛頓世界觀下的運動而言,對於研究對象,選取參考系是十分重要的,參考系不同,結果可能就會不同。
牛頓力學的這些觀點其實是很深入人心的,在解釋很多現象也是十分精準的。但是,200年後,有個科學家叫做麥克斯韋,他在法拉第的基礎上,提出了麥克斯韋電磁學理論,統一了「電」和「磁」,並給出了一組麥克斯韋方程。
通過這個麥克斯韋方程去求解電磁波(光)的速度,得到的結果是這麼一個東西:1/ε0μ0,其中ε0叫做真空介電常數,μ叫做真空磁導率,它們都是一個固定值,也就是說電磁波(光)的速度是一個固定值,不需要一個參考系的存在。這個結果很多科學家都懵了,因為這和牛頓理論是矛盾了。不過,大家還是想要拯救科學理論的,就想到,光在當時的主流觀點是一種波,而水波也是一種波,水波的傳遞是需要介質的,那光傳遞是不是也需要介質?於是,就開始了一場浩大的「尋找光的介質」的搶救行動,這當中有許多實驗物理學家通過這種辦法去尋找光傳播的介質,其中最有名的麥可斯莫雷實驗,但是他們得到的結果卻是:根本不存在這種介質。
到此,我們來總結一下,麥克斯韋和牛頓力學的理論在「光速」這件事情上出現了矛盾,而且這個矛盾是需要被修復的,這其實是引發愛因斯坦提出相對論的外部因素。
內部因素:愛因斯坦的個性&物理直覺
至於內部因素,來自於愛因斯坦的個性,他不是那種保守的人。我們先來看愛因斯坦的相對論的兩條基本假設:
相對性原理(伽利略提出來的那個理論)光速不變原理(從麥克斯韋方程當中得出來的)發現沒有?這壓根就是在搗糨糊啊,牛頓那邊的理論拿了一個,麥克斯韋這邊的理論也拿了一個,然後組一組,就得到了相對論的基本假設,然後從這個假設推出狹義相對論。
難道其他物理學家都是傻了?不懂搗糨糊?
實際上,並不是,在愛因斯坦之前已經有兩位高手幾乎觸碰到了狹義相對論的大門,一個叫做洛倫茲,一個叫龐加萊。
洛倫茲在數學上推導出了相對論後來引用的洛倫茲變換,但是老頭子認為這是一種數學上的把戲,他並不覺得其中有什麼深刻的物理含義。而龐加萊其實在哲學上提出了一些相對論的結論,比如:同時性的相對性。但是他也沒有什麼把握,更沒有證明自己的觀點。
後來,楊振寧在自己的一篇文章當中就寫到,
洛倫茲有數學,但沒有物理學;龐加萊有哲學,但也沒有物理學。
而愛因斯坦沒有洛倫茲的思想包袱,他屬於那種很叛逆的性格,所以他果斷摒棄了經典物理學的條條框框。但有這些還是不夠的,他同時還具有很強的物理學直覺,看出了洛倫茲變換背後的物理學含義,並提出了他的相對論理論。所以,愛因斯坦自身能提出這個理論主要在於自己性格和異乎常人的物理學直覺。
最後,我們來總結一下,愛因斯坦能夠提出相對論主要有兩個方面原因,外部原因是物理學理論發展到他的時代時,出現了一個無法調和的矛盾,那就是光速問題。內部原因是愛因斯坦的性格和他異乎常人的物理直覺。