前面我寫了很多廣義相對論的文章,加起來估計有20多篇,其中詳細介紹了狹義相對論的起源,推理過程,以及其內涵和場景。今天我想聊聊愛因斯坦的偉大之處到底體現在哪些地方。難道僅僅是因為愛因斯坦發現了相對論?
其實愛因斯坦在發現狹義相對論後,雖然對顛覆了人類長久以來的直覺,但是有個東西並未改變,那就是探索物理規律的技術路線。什麼叫做探索物理規律的「技術路線」?其實就是指人類在尋找物理規律的整個過程中,經常會用的的一些方法。
其實你此刻可以假象下自己就是一個物理學家,然後你要去探索某個物理現象遵循什麼規律,你會如何做呢?我相信你應該首先是去研究這個物理現象,然後對這些現象做實驗測量對應的數據,然後分析數據遵循啥規律,最後慢慢會發現這個現象滿足一個某某公式,一旦公式被提出來,接下來就繼續做實驗獲取數據來驗證這個公式是否正確。
沒錯!你的探索思路和當時主流的物理學家探索思路是一致的。其實人類研究物理規律的技術路線基本可以這樣概括:發現現象——做實驗——統計數據——分析數據——總結數據之間的規律——提出物理公式——驗證物理公式——規律探索完畢。
大家發現這個技術路線有啥特點沒?沒錯,這個技術路線最大的難點就是第五步:總結數據之間的規律。為啥這麼說呢?舉個簡單的例子,牛頓當時發現萬有引力公式其實是經歷了這幾個階段。首先牛頓發現兩個星球之間居然有相互靠近的趨勢,說明有一個力在拉彼此。其次牛頓發現兩個星球距離如果越遠,這個力的作用就越小,所以大致猜到力的大小和距離是反相關的。再次牛頓發現兩個星球的質量如果很大,那麼引力就會越大,所以牛頓再次猜測力的大小和兩個星球質量是正相關的。所以有了以上的分析和總結,牛頓就可以大致斷言萬有引力公式肯定是類似於這種表達式: F=Mm/r。 其中F是引力大小,M和m是兩個星球質量,r是兩個星球距離。
但是通過實驗數據檢測發現剛剛的公式好像並不成立,於是牛頓繼續探索猜測,最終發現原來萬有引力公式是F=G*M*m/r^2。其實大家可以看出最終的萬有引力公式和最開始的猜測公式很相似了。這就是傳統物理學家探索物理規律的技術路線:先看數據,然後猜公式,然後繼續一步一步驗證,最終把公式給猜出來。
但是大家發現沒?這種探索物理規律的方法,其實是非常簡單粗暴的,因為當物理規律的公式如果變得非常複雜,那麼通過看數據來猜公式就會變得非常麻煩,前面的萬有引力公式其實本身並不複雜,所以通過看數據,結合自身的數學功底,物理規律的公式還是能被猜出來。但是如果公式本身有很多參數,且公式所展示的關係不是線性關係,而是非常複雜的非線性關係,猜公式就變得很困難了,比如愛因斯坦的廣義相對論場方程,這個場方程是由12個非線性偏微分方程組成,如果僅僅去靠愛因斯坦通過測量數據去一點一點總結和猜,估計猜個100萬年也別想猜出來。那麼愛因斯坦是如何精準給出了場方程組呢?哈哈其實愛因斯坦是有秘籍的,愛因斯坦發現狹義相對論,的確是靠傳統的猜公式技術路線搞出來的,但是發現廣義相對論,卻是用了當時人類史無前例的方法,從而精準給出了場方程組。
用這種方法來探索物理規律,可以說是事半功倍,而這種探索規律的技術,是愛因斯坦發明的,愛因斯坦之所以偉大,並不僅僅是發現了相對論,更重要是發現了一種非常牛頓高效的探索物理規律的方法和技術,藉助這種方法,愛因斯坦發現了廣義相對論。這種非常厲害的探索物理的方法到底是啥?下一期來揭曉答案。