為什麼是愛因斯坦提出了相對論,而不是其他人?

2020-12-06 鍾銘聊科學

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。

相關焦點

  • 愛因斯坦為什麼要提出相對論?
    所以很多人就對相對論提出質疑,認為相對論不合理,認為相對論不可信,認為相對論憑什麼規定光速是不變的,認為從相對論公式根本就推導不出光速不變的結論來,相反,從牛頓定律卻可以推導出光速是可以變的。問題出在哪?
  • 如果沒有愛因斯坦,《相對論》會被推遲多久才提出?
    等效原理的電梯思想實驗是愛因斯坦獨創的。這個思想實驗是愛因斯坦在1911年提出的,並且用了4年時間將時空彎曲量化了,並推導出著名的引力場方程式。由此標誌著廣義相對論的誕生。我之所以說,如果沒有愛因斯坦廣義相對論可能會延遲數十年,是因為廣義相對論在當時並沒有實驗基礎,人們也並不迫切需要將力學納入到相對論中。
  • 為什麼愛因斯坦、相對論永遠正確
    編者按:曹廣軍先生研究相對論多年,在本文收集大量的史料,對愛因斯坦理論體系進行全方位的,深入細緻的分析。指出儘管愛因斯坦相對論漏洞百出,是一個地地道道的謬論,卻為何百年批不倒的原因在於,它已經不是一個單純的科學問題,而是一種集政治、社會、文化、種族等因素於一身的複雜現象。
  • 愛因斯坦的相對論的提出始末,有沒有實驗的驗證?
    愛因斯坦的狹義與廣義相對論是否得到了實驗的驗證?愛因斯坦創立的相對論絕對是現代物理學的頂梁柱,它從誕生到如今,一直都是當代物理學研究的熱點,而且近半個多世紀以來的重大科學成果都與相對論有關係。那麼,愛因斯坦是如何創立這兩個理論的呢?
  • 如果沒有愛因斯坦,那麼相對論還能被發現並提出嗎?
    愛因斯坦在1905年提出了狹義相對論(論動體的電動力學),1916年正式發表了廣義相對論。在提出狹義相對論之前,洛倫茲、麥可遜-莫雷實驗等等都給了愛因斯坦啟發,在他們的基礎之上,愛因斯坦果斷的拋掉了以太概念,以光速不變為假設提出了區別於牛頓時空觀的新的時空理論。按照這個理論的成型來看,即便愛因斯坦沒有提出,我想幾年之內還會有人提出,因為這個理論已經呼之欲出了。
  • 愛因斯坦的相對論那麼偉大,為什麼沒有因為相對論獲得諾貝爾獎?
    可問題就來了,愛因斯坦為什麼沒有因為他最大的科學成相對論而獲獎?1905年的愛因斯坦奇蹟年這事要從1905年說起,在這一年,愛因斯坦一口氣發表了4篇極具開創性的論文。它們分別是布朗運動、光電效應、狹義相對論、質能等價。
  • 為什麼愛因斯坦會提出「光速不變原理」?
    而「光速不變原理」則是愛因斯坦的原創。其實,愛因斯坦創立相對論是有點復古的。為什麼這麼說呢?如果我們回想一下初高中學過的平面幾何證明,就會發現,相對論和這個平面幾何很類似。平面幾何也被我們稱為歐幾裡得幾何學。
  • 20世紀的科學大師愛因斯坦提出的相對論,至今都無懈可擊!
    愛因斯坦,20世紀最卓越的科學大師,智慧超群的人類天才,以其著名的相對論最為世人稱頌。事實上,相對論由二種學說組成,即1905年提出的狹義相對論和1915年提出的文義相對論。後者被稱對狹義相對論做幾點評述。
  • 愛因斯坦竟不是由於相對論而獲得諾貝爾獎
    1921年,由於對光電效應的貢獻,愛因斯坦獲得了諾貝爾物理學獎,但由於相對論的複雜難解及面臨的種種爭議,瑞典皇家科學院的諾貝爾獎頒獎辭隻字未提相對論。現在,相對論已經被科學界完全接受,無數實驗也證實了相對論的預言,但我每們周圍仍對此持懷疑態度。相對論的重要結論之一,是質量與能量的關係。對所有觀察者而言,愛因斯坦假定光速是相同的,沒有可以超過光速運行的事物。
  • 婚前生子,提出相對論,愛因斯坦的傳奇人生
    愛因斯坦,出生於1879年3月14日,是在德國的一個猶太家庭裡,1905年成績優異的他畢業於蘇黎世聯邦理工學院,他是一位猶太裔物理學家,現代物理學的開創者、奠基人。他被公認為是自伽利略、牛頓以來最偉大的科學家和物理學家。 愛因斯坦提出光子假設,成功解釋了光電效應,因此獲得1921年諾貝爾物理獎,並且他還提出了相對論。
  • 在當時沒有事實驗證的情況下,愛因斯坦為何可以提出相對論?
    愛因斯坦的相對論,尤其是狹義相對論的誕生過程很多人並不太了解,會認為狹義相對論是愛因斯坦一個人的功勞,是愛因斯坦天才大腦的結晶!因為直到今天,也並非所有的科學家都認同是愛因斯坦創立的狹義相對論,有些科學家認為龐加萊或者洛侖茲比愛因斯坦更早創立了狹義相對論,科學界確實存在著這種爭議。這說明什麼?說明狹義相對論的誕生條件早已經相當成熟了,即使沒有愛因斯坦,狹義相對論也會很快誕生。
  • 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
    達爾文提出進化論,受到上帝教徒的猛烈抨擊;哥白尼提出日心說,險些被火燒死;現在被我們廣泛接受的大陸漂移學說,魏格納在提出之時也是受盡辱罵。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。
  • 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
    達爾文提出進化論,受到上帝教徒的猛烈抨擊;哥白尼提出日心說,險些被火燒死;現在被我們廣泛接受的大陸漂移學說,魏格納在提出之時也是受盡辱罵。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
  • 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!
  • 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。
  • 人們總是質疑相對論,而不是牛頓力學,為什麼?
    於是出現了更前沿,更具有時代意義的新理論取代舊理論——愛因斯坦的相對論。我們會發現牛頓的經典力學剛剛提出的時候,我們都欣然接受了,可是為什麼愛因斯坦的相對論提出後,質疑聲卻很高呢?雖然愛因斯坦的相對論總是存在著質疑,尤其是在愛因斯坦剛剛提出相對論的理論之後,質疑聲最高,但是相對論上提出也讓人類對於宇宙天體的認識更加深刻,研究得也更加的深入了。然而,相對論還是在長久以來受到了很多人的爭論,其實最主要的原因是相對論顛覆了以往我們對物理學的傳統認知。
  • 為什麼有人提出超光速的時候,總有人用相對論反駁?也不是真理啊
    有網友問為什麼有人提出超光速的時候,總有人用相對論反駁?相對論也不是真理啊?實驗結果和以太學說的不匹配證明了以太的不存在,且光速在任何參考系下都是固定不變的,想像中的「兩束光相對速度為二倍光速也是不存在的」,因為在計算光的相對速度時已經不能用牛頓物理學中簡單相加的辦法了,而是需要狹義相對論中出現的洛倫茲變換。
  • 愛因斯坦提出相對論100周年 帶來五大發現
    廣義相對論表明,時空可以不是平坦的,而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠的地方這兩點之間鑿出一個蟲洞,然後用某種「奇異物質」把洞口撐開,使之成為一個突然出現在宇宙中的超空間管道,讓我們在瞬間到達遙遠的彼岸。然後當我們返回時,蟲洞的奇異性質讓我們年輕了很多。
  • 愛因斯坦的相對論,為何被諾貝爾獎拒之門外,難道相對論不夠資格
    提起愛因斯坦,我們首先想到的就是他的相對論!這是改變世界的偉大理論,它和量子力學組成了現代科學的兩大基石。不管在誰看來,相對論都是諾獎級別的科學理論!但是,愛因斯坦獲獎,卻不是因為相對論!而是因為光電效應!這個結果是出乎所有人意料的,誰都沒有想到,相對論竟然無法獲獎。那這是為什麼呢?