愛因斯坦一思考，牛頓就哭了！這是為什麼？

300年前，牛頓在伽利略、笛卡爾等人的理論基礎上建立起來的經典物理學，幾乎在一夜之間就顛覆沿用了2000年的亞里斯多德的自然哲學。

（這篇圖文獲得第二屆全國新寫作大賽主題「抬頭有星空，夜色更精彩」活動三等獎）

牛頓的經典力學開啟了人類文明的第一次工業革命。他的理論為人類作出了巨大的貢獻，從火車、飛機、炮彈到火箭、衛星、宇宙飛船無一例外不用到牛頓的運動定律，幾乎無人敢於挑戰。

然而200年後的1905年，愛因斯坦站出來說：牛頓，你錯了！你這個絕對空間和絕對時間有證明過嗎？我認為時間和空間是相對的，而時空才是絕對的。

當年，牛頓是在哥白尼的「日心說」，推翻了亞里斯多德的「地心說」這個基石上建立起來他的新理論，而這次愛因斯坦直接動搖的，則是牛頓的「絕對時間和絕對空間」這一個基石。

愛因斯坦為何有勇氣這麼說？這事和麥克斯韋有關……

牛頓絕對時間和絕空間的提出

絕對時間和絕對空間的提出，是因為物體的加速運動。我們知道運動都是相對的，我們說誰在運動誰是靜止時，得有一個參照物，就是運動只有在相對的條件下才意義，否則就是「耍流氓」。

但是，有一種運動很特殊，似乎它有一種內在的性質，就是你可以在沒有任何參照物下，甚至閉上眼睛的情況下，也能感覺到你是在運動的。這就是加速運動，一種你的運動速度或運動方向發生改變的運動。

如你坐的車拐彎時，你會感到好像要被甩出去一樣，你的車突然加速或減速，或是你坐在旋轉的摩天轉盤中，你都會有一種推背感，明顯的知道你是在運動的。可是，這個運動的大小或方向的改變，到底是相對於誰的呢？運動不是只有在相對的條件下才意義嗎？為什麼加速運動就不需要任何參照物就能知道運動改變了呢？當時人們沒法解釋。

因此人們不禁提出，難道世界上就只有相對的運動了嗎？有沒有一種運動是絕對的？牛頓給的答案是有。他認為這個絕對運動的參照物就是我們所處的空間。

牛頓當時認為，時間和空間是絕對的。他認為空間是一個真正的物理實在，它是絕對的、具體的，不管其他的物體是否存在，空間總是存在的，相對於絕對空間的運動才是絕對的運動，相對於絕對空間的靜止才是絕對的靜止。牛頓還總結道，一個物體相對於絕對空間有加速度，那它就是處於真正的加速狀態。

牛頓絕對空間和時間觀的提出，當時也有一些質疑的聲音，但是當時牛頓太大V了，他幾乎就是絕對的權威，反對之聲，也就這樣被他的光環湮沒了。

1687年，牛頓出版的《自然哲學的數學原理》，一開篇就祭出這個尚方寶劍：「絕對的、真實的、數學的時間，由其特性決定，自身均勻的流逝，與一切外在事物無關；絕對空間自身的特性與一切外在事物無關，處處均勻，永不移動。」。

有了這個絕對的時間和絕對空間作基石，牛頓的運動定律才可以順理成章的呈現出來。牛頓的運動定律也因此與伽利略的相對性原理很好的相容起來。在實際應用中，牛頓的物理學也是得心應手，似乎沒有出什麼差錯，大家對牛頓的運動定律深信不疑，牛頓的運動定律也就這樣一直得到大家的追捧著。

麥克斯韋電磁方程組計算出來的光速是相對於誰的？

然而，到了1865年，麥克斯韋的電磁方程出來後，牛頓就再也沒法歲月靜好了。電力和磁力似乎與其他的力不一樣，從麥克斯韋電磁方程中得出：電場和磁場是可以互相轉化產生的，變化的電磁場是以一種波的形式產生，並且這種波的速度等於光速，也就是30萬千米每秒，最後還可以進一步說明光其實就是電磁波。

這時問題來了，這個光（電磁波）的速度是相對於誰在運動的呢？麥克斯韋電磁方程推算出來光的速度並不需要任何參照物。

人們首先想到的是，光的速度應該是相對於光源？可是荷蘭天文學家德西特根據對雙星系統的觀察，發現光的傳播速度並不依賴於發光物體的運動速度。兩個相互繞著轉的遙遠的恆星，並沒有發現它們的光先後到達我們這裡的現象。

聲波是以空氣為介質傳播的，水波是以水為介質傳播的，那麼光波是不是也是以某一種介質為傳播的？這時人們想到了亞里斯多德之前提出過的以太。當時很多人包括牛頓在內，認為以太是一種非常稀薄，透明的物質，它充滿著空間中的每一個角落，而光就是在以太中傳播的。「完~美！」，有了以太的假說，牛頓心中的石頭終於落下了。

可是，在1887年，麥可遜和莫雷為了證明以太的存在做了一個著名的實驗，結果烏龍大了，他們的實驗恰恰證明了以太並不存在（實驗過程大家自行補）。

如果以太確實存在的話，地球這樣快速的繞太陽運動還有自轉，我們在不同方向上發出一束光，光在以太中的速度應該是不一樣的，起碼逆行的光總得比順行的光慢吧？然而，麥可遜和莫雷不管如何折騰，他們的實驗證明，光在哪一個方向上速度都是一樣的！

愛因斯坦提出光速不變的假設與伽利略相對性原理不相融

光不需要任何介質傳播、它在任何方向的速度都一樣、它的運動不需要任何參照物......於是，愛因斯坦乾脆就給它來一個讓人驚掉下巴的假設：光速不變。

這裡得注意，我們在說光速不變時，並不是說光在不同的介質中傳播的速度不變，也不是說光在真空中的速度不變（我也可以說聲音在真空中的速度不變），而是說，光在任何坐標系下速度都不變！不論光源運動還是觀測者運動，對所有的觀測者來說，測出的光速都是相同的。如何理解這個，繼續往下看~

這下不得了，物理學界炸開了鍋。這是為什麼呢？因為如果光速不變的話，這與伽利略的相對性原理是相矛盾的。相對性原理是人們經過很多實驗得出的結論，大家認為他是不可能有錯的。可是光速不變也似乎是千真萬確的。你沒錯，我沒錯，那到底是誰錯了呢？它們之間的矛盾又是什麼？

伽利略的相對性原理是這麼說的：我們無法通過任何力學實驗來區分兩個慣性系（勻速運動和靜止狀態），也就是說你在勻速運動的一艘船上做任何力學實驗，與在相對靜止的地面上做出來的實驗結果是一樣的。

當年伽利略提出相對性原理的時候，並不是隨口說說的，他除了做實驗，還得用數學公式推導出來。他大概是這麼推導的（別擔心，簡單的公式）：你在一艘勻速運動的船上設一個坐標系S，在相對靜止的地面上再設一個坐標系S』。我們知道，空間是三維的，再加上時間就是四維，那麼船上的坐標系就是：（x,y,z,t）;地面上的坐標系就是（x』,y』,z』,t』）。

好了，根據絕對時間和絕對空間的假設，我們的時間都是一樣的t』=t。你在地面系和船系上測量的y和z的值應該也是一樣的（即y』=y,z』=z）。唯一不同的就是x了，船在勻速運動時，相對地面只有一個在水平的X軸上的運動。因為距離等於速度乘以時間，所以它們的之間的關係是： x&39;=x-vt ，這兩個坐標系之間就像有了一個橋梁，它們有了等價的關係。就是說你在船上做的實驗計算的結果，我在地面上通過這個等價的關係就可以算出來。這個就是所說的伽利略變換。

有了這個變換式，我們就可以證明上面所說的相對性原理，就是你在勻速運動和靜止狀態中所做的力學實驗是一樣的（證明過程就省了）。因為我們可以用伽利略變換式計算出來，他們的實驗結果一樣。

我們從伽利略變換式中還可以看出，在慣性系中，速度是可以疊加的。比如，你在一輛時速為100千米的車上，以時速為50千米的速度奔跑。你相對於車的速度還是50千米每小時。可是，在地面上的人測到你的速度卻是100+50=150千米每小時。也就是說這兩個慣性系測量的速度相差一個速度v，這個就是速度合成法則。

可是，如果在剛才的車上，你用手電筒射出一束光，那地面上的人看到光的速度是不是100千米每小時+光的速度呢？答案是NO！不管是車上的人還是地面上的人，測到的光的速度都是30萬千米每秒。科學家們做了無數個實驗，結果還是光速不變，也沒有發現任何違反這個規律的現象。這個就是上面我們所說的，光在任何坐標系下速度都不變！

這就奇怪了，為什麼牛頓的力學符合伽利略的相對性原理，而光也就是電磁波就不符合呢？物理法則應該是不分彼此的，電力磁力也是力呀。這個問題，也就成為了當時物理學上被稱為兩朵「小烏雲」中的一朵。

到底是誰的錯？

不是伽利略相性原理的錯，也不是光速不變的錯，難道是牛頓錯了？這個在當時幾乎沒人敢想，只有愛因斯坦站了出來，就像上面他所說，牛頓假設時間和空間是絕對的，這是錯誤的！伽利略變換的前提是在不同的坐標系下，大家的時間和空間都是一樣的，可是有人證明過或是有實驗驗證了嗎？

事實上，時間和空間是絕對的，這個觀點牛頓也承認他沒有證明過，他在《自然哲學的數學原理》中說到：「事實上，發現並且有效地區分某個特別物體的真實運動並不是一件容易的事情，因為運動發生於其中的那個不可變動的空間並不能被我們感知。」

愛因斯坦敏銳地察覺到，麥克斯韋方程組、伽利略變換和相對性原理三者之間的矛盾就出在伽利略變換的絕對時間和絕對空間的假設上。他認為時間和空間是相對的，我們每一個人所在的空間並不一樣。空口無憑，你也得給個證明吧？愛因斯坦通過一頓操作後，於1905年9月26日在《物理學紀事》上發表了一篇小文《論運動物體的電動力學》，這篇小文就是狹義相對論。

到此，你認為愛因斯坦就甘罷休了？還沒完！牛頓不是說萬有引力，是兩個物體間瞬時產生作用的嗎？愛因斯坦說，這不科學呀，瞬間產生作用，那不是超光速了嗎？

狹義相對論是不允許任何在空間中運動的物體速度超過光速的。為了證明牛頓的萬有引力的超光速這個說法是錯誤的，並說明引力是如何產生的，愛因斯坦在1916年，又在《物理學紀事》發表了一篇論文，這就是廣義相對論。

如果當時有微信朋友圈，牛頓估計發出來的心情就是這句：「既生瑜，何生亮！」。

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