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怎么评价爱因斯坦相对论?


2019-12-23 19:26    澳门网上顶级博彩公司

相对性原理:“在任何惯性参考系中,自然规律都相同。”——有没有感觉这就是一句废话?

伟大的思想往往包含在看似简单的言语之中。还记得牛顿第一定律么?“物体不受外力作用时,其运动状态不变。”看起来这似乎也是一句屁话。但这居然是经典物理学宏伟大厦不可动摇的基石之一。

当我们学习牛顿第一定律“物体不受外力作用时,其运动状态不变”时,我们有时会换成另一种说法:“物体要改变运动状态,必须受外力作用。”这两种说法是等效的。一样的道理,爱因斯坦的相对性原理“在任何惯性参考系中,自然规律都相同”这句话,也可以说成:“只有在不同惯性系之间,自然规律才会不一样。”或者说:“在不同惯性系之间,自然规律可能会不一样。”

假设小明拿了一个铁球在船上做自由落体运动实验。而你在另一艘相对运动的船上,观察小明做的实验。小明看到铁球是垂直下落的。但是你看到的却是一个抛物线。这样,你和小明在“不同惯性参考系之间”观察“同一现象”的结果是不一样的。

但是高智商的你一定在嘀咕了:这可不就是相对运动吗?这初中生都能够熟练解决的相对运动问题,用得着爱因斯坦这个“相对性原理”干什么?

的确,在地球上研究各种物体的相对运动,在各惯性参考系之间的转换,都用不着爱因斯坦来解决。因为我们人类有一个“统一的、默认的”惯性参考系——地面。你和小明在船上观测到的分歧,都可以通过地面这个参考系来统一。你和小明吵半天,谁也说服不了谁,那么请教一个站在岸边的人,他就可以让你两人恍然大悟,达成一致。

地球相对人类来说,尺度足够大。人类很多观念被局限在地球范围内,这是很正常的。比如大海的水面,古代人认为那是一个平面,现在我们知道水平面是弯的,因为其实地球是球形的。比如古代人认为太阳围绕大地转,现在我们知道其实是地球在自转。

我们的惯性参考系也被地球“误导”了。我们不知不觉就会把地球当做一个“终极参照物”。这样,地球上一切物体的相对运动,都可以在这个参考系中统一起来,从而消除了“自然规律在两个惯性参考系之间,观察结果会不一样”的问题。

当人类把目光放到银河系甚至更大空间的时候,我们就要建立更大的参考系。我们观察太阳系,以太阳为原点建立参考系。这样,火星、木星、地球的运动符合伽利略和牛顿提出的公式,十分完美(如果在观察太阳系的时候,还是以地球为参考系,那每个行星的运行轨迹就会非常复杂)。在以太阳为坐标的这个参考系中,地球的公转速度为每秒30公里。当我们观察银河系,就以银河系中心建立了“银河系参考系”,在这个参考系中,我们观测到太阳携带着地球在内的九个行星,以每秒220公里的速度围绕银河系中心旋转。

请注意,地球的公转速度为每秒30公里,这是相对于太阳来说的。而太阳带上地球又以每秒220公里的速度飞奔,这是相对于银河系中心来说的。我们还知道,银河系也不是静止不动的,又携带着几亿恒星在宇宙中狂奔。那么问题就来了,地球在宇宙空间中真正的速度是多少呢?

大多数人都会把宇宙想成一个大大的“空箱子”。很多星系散布在这个箱子里头。这千千万万个星球中,有些星球是相对箱子静止的,有些星球则以各种速度往各种方向运动。我们脑子中这个“空箱子”,就是我们想象出来的宇宙参考系。

这个参考系也就是所谓的宇宙“绝对空间”。为什么说是“绝对”呢?因为这个空间的存在并不依赖箱子里头的东西。箱子里的那些星系啊星云黑洞啊什么的,就算是一个都不存在,这个箱子也是存在的,它是一个“空的宇宙”。就像我们学数学时画在纸上的坐标,没有那些点线面的存在,坐标依然存在。

十九世纪末期,物理学家为建立这个绝对的“宇宙参考系”而头痛:宇宙参考系如何建立?这个终极参考系的坐标原点在哪里呢?因为,没有这个参考系,我们甚至不知道自己所住的星球在哪里,往哪里去,去得有多快!对于物理学家来说,这种对自身状态无知的感觉是多么可悲的事啊!

为了解决这个问题,当时的物理学家们假象了一种神奇的物质——以太。他们想象以太是光传播的媒介,充满整个宇宙,以太是静止的,并且具有不可思议的特性,例如完全透明、完全无质量、完全刚性等等。以太相对于宇宙绝对空间是静止的,这样,我们就可以从以太的角度来观测各种运动,也就能建立起一个绝对的宇宙参考系了。

如果真的有以太,地球在运动的时候,就会迎面吹来一阵“以太风”。就像我们开车的时候,车子穿过静止的空气形成的迎面风一样。我们通过测量以太风的速度,就可以知道地球穿过以太的速度,这就是地球在宇宙空间中的“绝对速度”了。于是很多科学家纷纷动手,设计了许多精妙的实验装置,通过测量光速的差异来寻找以太风。但是遗憾的是,无论多么努力,他们都没有能够测出以太风。以太理论似乎也陷入了僵局。

爱因斯坦就是在这种情形之下提出了相对性原理:“在任何惯性参考系中,自然规律都相同”。在这平实无华的一句话背后,隐藏着爱因斯坦一个令人震惊的主张。那就是:任何惯性参考系都是相对而言的,宇宙的绝对参考系并没有,也不需要有。

我不知道为什么爱因斯坦没有直白地提出他的这个主张,而是“用了曲笔”。也许是他觉得这个主张对于其他物理学家太过于残酷了。因为宣布宇宙没有绝对参考系,就是宣布了宇宙只能局部可知,而不是完全可知的。为什么呢?还是拿地球来说吧,按相对论原理,我们就永远也不会知道自己的“宇宙速度”。我们只能知道地球在太阳系中的速度,或者银河系中的速度,或者更大尺度的参考系中的速度。但这些都是“局部速度”,地球的“宇宙速度”我们永远不会知道。

当时,物理学自伽利略、牛顿始,经过两百多年发展,一路成绩辉煌。人类对宇宙万物的认识不断扩大,上穷苍穹,下竭微粒。科学家们对人类的聪明才智非常自信,认为只要有足够的时间,只要肯努力肯登攀,就能够把宇宙万物弄个清清楚楚。爱因斯坦的这种观点,不仅经典物理学家不能接受,甚至哲学界也反对。这不是主观唯心主义吗?这不是不可知论吗?我们一直相信,宇宙万物,必然有“真实的”、“客观的”存在,而不是相对的、与观察者有关的。

后人之所以认为爱因斯坦是个伟大的人物,就在于他宣布了我们人类观察力的局限性。这种革命性的思想主张,就像达尔文宣布人类由猿进化,就像哥白尼宣布地球不是宇宙的中心一样。虽然有悖固有的观念,甚至有违传统的文化,让人难以接受,但能给整个社会思想带来震撼,产生划时代的变化。人们越理解这种思想,就越觉得其可信,越感到其可贵。

好了,把话题收回来,在前面的场景中,小明和你分别位于两艘船上,你观察小明做的实验,和小明自己观察会得出不同的结果。如果没有相对性原理概念,你和小明就会为“到底谁才是正确的?”争论不休。当我们具有了相对性思维之后,我们会这样去看:

一方面我们认为,不同参考系之间的观察结果不一样,是正常的,无所谓谁正确。如果我们始终立足于本身参考系之中,就无法统一两种观察结果的分歧。

另一方面,相对性原理让我们意识到,这两个参考系如果能统一到更大的参考系中,这种分歧就能够得到解决。比如地面。

现实中,存在很多这样的“统一参考系”。科学家根据地面、太阳、银河系建立的参考系有:地平坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系、银道坐标系等等,这些在日常工作和科研中都是常常使用的。宇宙是如此之大,仅仅银河系就有10万光年,包容有4千亿个类似太阳系的恒星系。我们人类生活的地球,在银河系中就是一颗微尘。我们以银河系这样的尺度来建立参考系,来确定我们地球的运动状态,已经完全足够。

虽然相对论原理宣称没有“绝对宇宙参考系”,但是相对论原理也告诉我们,局部的“绝对参考系”是可以相对存在的。

引申到哲学中,这就是相对真理和绝对真理的问题。我也觉得用相对论的眼光看问题也很有意思。比如穆斯林认定真主安拉是唯一真神,可基督徒认为上帝才是唯一真神。他们为此吵了两千多年,付出了万千生命。如果眼光只在自己的“参考系”中,他们将不会有停止争斗的那一天。只有找到涵盖范围更大的“统一参考系”,他们才有坐下来好好谈的可能。

相对论不仅是物理科学,也是人类思想的突破和进步。相对论提出已经将近百年,引发了一系列关于科学和哲学的讨论。直到如今有人仍然不愿意接受相对论,网上质疑相对论或者声称自己已经推翻相对论的言语还很多。不过我自己觉得,承认人类的认识局限,不仅没有让我有丝毫失落感,倒是如释重负。在浩瀚无垠的宇宙面前,人,还是谦逊一些才好。

从数学的角度讲,狭义相对论促进了对洛仑兹变换群的研究,广义相对论的研究可就大了。首先它既是黎曼几何在物理的应用,也促进了黎曼几何的发展(比如促进了index大于0的伪黎曼几何的发展)。由EInstein场方程导出的Einstein度量,在现代微分几何中处于中心地位。正是因为有广相的框架,才会出现ADM质量和正质量定理这种东西,而正质量定理本身在微分几何中也很重要,比如说可以和极小曲面理论产生联系。然后广相中出现的发展方程等等,又为PDE提供了丰富的题材,为国内很多数学工作者提供了饭碗——数学系可是有很多人研究广相中的几何发展方程的。

什么,你问我广相本身对物理有什么影响?没有广相现代物理还叫现代物理么?它是我们目前对引力最成熟的认识啊。。我不讲物理因为我不懂物理,只讲讲数学,侧面表现广相的影响有多么深远。

二十五岁时,爱因斯坦给《物理学年鉴》投了三篇文章,每一篇都足以让他获得诺贝尔奖,每一篇都是帮助我们理解世界的支柱。我之前谈到过第一篇文章,年轻的阿尔伯特在这篇文章中计算了原子的大小,并且在二十三个世纪后证明了德谟克利特的观点是正确的:物质即微粒。

第二篇文章是爱因斯坦最负盛名的——他介绍了相对论——本章就会专门介绍相对论。

实际上,有两种相对论。爱因斯坦投递的信封中装的是阐述第一种相对论的论文:现在称之为「狭义相对论」。在介绍爱因斯坦最重要的理论——广义相对论之前,我要先介绍狭义相对论,因为它阐明了时间和空间的结构。

狭义相对论非常精妙,从概念上很难理解,比广义相对论理解起来还要难。读者朋友们,如果后面几页读起来感觉很深奥难懂,请不要泄气。这个理论第一次揭示了牛顿的世界观并不只是遗漏了什么东西,而是需要被彻底改造——以一种完全有悖于常识的方式。这是第一次真正的飞跃,修正了我们关于世界最本能的认知。

牛顿与麦克斯韦的理论看起来以一种微妙的方式相互矛盾。麦克斯韦方程组给定了一个速度:光速。但牛顿力学与存在恒定速度不相容,因为牛顿方程里包含的是加速度,而非速度。在牛顿物理学中,速度只能是一个物体相对于另一物体而言的。伽利略强调说,地球相对于太阳是在运动的,即便我们感知不到这个运动,因为我们通常所说的「速度」是物体「相对于地球」的速度。我们说速度是个相对性的概念,意思是说,谈论一个物体本身的速度是没有意义的,唯一存在的速度是一个物体相对于另一物体的速度。这就是 19 世纪和今天的学生学到的物理学。但若果真如此,麦克斯韦方程组里给定的光速是相对于哪个物体而言的呢?

一种可能是,存在一种统一的实体,光速是光相对于这种实体的速度。但麦克斯韦的理论预言似乎与这种实体没有任何关系。20 世纪末,试图测量地球相对于这种假想实体的速度的实验都宣告失败。

爱因斯坦曾说,任何实验都没有真正对他有所帮助,只有通过思考麦克斯韦方程组与牛顿力学之间的显著矛盾,他才找到了正确的方向。他问自己,能否找到一种方式,让牛顿和伽利略的核心发现与麦克斯韦的理论相一致。

爱因斯坦由此达到了一个惊人的发现。为了理解他的发现,请将所有过去、现在与未来的事件(相对于你正在阅读的这一时刻),想象为如图 3.1 那样排列。

爱因斯坦的发现是说,这个图表是错误的。实际上,事实应该按照图 3.2 那样的方式来描绘。

在一个事件的过去与未来之间(例如,你正在阅读的此时此刻与你的过去与未来之间),存在一个「中间区域」,一个「延展的现在」,一个既非过去亦非未来的区域。这就是狭义相对论的发现。

我提出其中一个问题:空间的「辐射式运动」会影响到物质吗?如果会,并且像答案中所说,是「给观察者的感觉就是时间」,为什么不同的观察者经历的时间不同?(比如已有实际应用的GPS卫星和地面上的时间差异。)如果不会,我们有什么理由使用这个模型而放弃「光以光速运动」的模型呢?

对于光速不变,这是由迈克尔逊莫雷以来的无数实验结果所验证的。或许我们也可以构造一个光速会变的理论,但是很大的可能是这个理论无法解释已有的全部实验结果,或者与相对论等价只是更麻烦。如果抛弃逻辑上的严格性,只从理解的角度来讲,实际上也是「惯性系相互等价」的要求。假如光速可变,我们总可以通过测量光速来判断参照系是否运动,从而违背了「惯性系相互等价」的原理。

如何评价相对论呢?我认为一个物理理论之所以伟大,并不是因为它解决了什么,而是因为它开创了什么。相对论让人们摒弃了生活常识,从更加严格的角度审视整个物理理论体系,可谓是开创了近代以来的所有物理学,也让人们能够不必亲身体验也可以想象遥远宇宙中的物理现象。从这一点上来说,相对论应该无愧于「伟大的理论」这一称号。

你问我怎么看相对论?跪着看。作为一个物理工作者才知道提出一个像相对论这样重要的理论的难度。像我这种,做出工作的重要性可能是爱因斯坦的1/1000000000吧。

从相对论看,爱因斯坦这个人很有问题,要抓起来研究。这个人很可能是穿越过来的。

爱因斯坦以前,一个原理性的物理理论,其产生过程一般是这样的:大量实践-感觉有规律-大量精确设计的实验-总结规律-发现理论的数学形式-归纳数学形式的一般性-对许多有共性的数学式理论进行统一的原理性解读-得到物理原理。

爱因斯坦的做法却是基本上反过来,先找到了一般性原理,指出你们这些 low B 连世界观都不对,对时间和空间的理解就是错的,应该像我说的这样来,然后 blah blah 一大堆,再寻找合适的数学形式把自己的想法写出来,再设计实验来证明这个理论是对的,再到大量的实践活动(这时他已经挂了,没用上 GPS)。

爱因斯坦以后,无论多聪明伶俐、小肚鸡肠、孤傲不驯的物理学家,都必然高看爱因斯坦一眼。但我觉得他们错了,爱氏根本不是物理学家,他的研究模式更像是先知,说难听点就是神棍。

但如果没有爱因斯坦,广义相对论应该怎么产生呢?可能在量子理论大量应用后的20世纪末,人们开始从定位卫星的误差中发现牛顿引力理论有问题,然后凑一个修正。等进入宇航时代,人们从大量的航行数据中不断修正引力理论,最终拟合出爱因斯坦式的场方程,可能是十几个方程构成的复杂的方程组,非常 ugly,又过了 N 久后发现这个方程的美,只要他们承认正确的时空观是广义相对性原理。

今天在图书馆闲着翻了一个爱因斯坦的文集,1914 年 3 他给 M. Besso 写了一封信,中译者拟了一个题,作《我不怀疑引力理论的正确性》。下面抄一段英译,有兴趣的可以结合我的答案体会一下:

Now I am completely satisfied and no longer doubt the correctness of the whole system,

regardless of whether the observation of the solar eclipse will succeed or not. The logic of the thing is too evident

本人认为:爱因斯坦先生在建立他的爱因斯坦狭义相对论理论时搞错了基本的物理概念!那就是爱因斯坦先生把“光”这个本来应该是“电磁场(一种物理场)中一定频率段的电磁波扩展传播运动——电磁场整体参与并且场中不同点存在着振动相位差的整体运动状态”错误地看成是一种“微粒子(光子)在空间中做的匀速直线运动——单个微粒子自身的机械运动状态”。很明显这是两种完全不同的物理运动状态。

本人还认为:爱因斯坦先生在建立他的爱因斯坦广义相对论时缺少一个重要的理论基础那就是“万有引力场”与“电磁场”之间是否存在着“相互感应”并且时至今日依然没有看到任何物理实验结果证实这一点!

不知哪位“爱因斯坦相对论大师”能够补齐爱因斯坦相对论理论如此明显并且足以致命的“理论漏洞”呢?

相对论把复杂的理论用很多低级的方式去解释,混淆黑白,愚弄世人!爱因斯坦类似厨师,洛伦兹变换麦克斯韦方程组类似牛羊肉行驶的火车类似白菜豆腐,都被爱因斯坦一勺烩了!爱因斯坦名声在外,做的不好吃很多人也拼命说香,极少数人吃出了味道不对说了两句,结果就被扣上了民科的帽子!看看爱因斯坦拿火车上行走的人做例子,说车外的观察者认为车内人的速度是火车的速度加上人行走的速度,这个观念对不对呢?车外的观察者是不是物理学家?不是物理学家也明白人的速度10米每秒就是极限,怎么能和车速搅和在一起?难道随便拿个人的观点就做理论依据吗?还有就是闪电同时击中路基的两个点,坐在火车上的人看到闪电能否时间相等的问题,对于光而言,怎样才算同时性呢?要精确到0.00000001秒才可以,科学仪器再精密都达不到测光的同时性,爱因斯坦张开嘴就说!做为科学理论必须严谨,而爱因斯坦动不动就从普通人的角度考虑问题,导致其理论也就没有科学性可言!

我只知道,最牛的QFT是建立在SR和QM上的,QM的理论工作还有人在做,但是,SR的理论工作,好像没有什么人再去做了,作为另一支柱性工作,GR的理论部分,也基本没人去做了。也就是说,相对论的理论部分基本已经完善了。相对论的理论工作已经基本没什么可做的了。相对论预言的现象,也慢慢被验证了,哪怕引力波也是爱因斯坦在上个世纪预言的,而且实验上也没有违背相对论的。我只知道这些事实。怎么评价?真觉得不够格。(评价一个,难道不是那种开了挂的大牛干的?作为物理搬砖工,还是好好搬砖吧)

讨论狭义相对论是否正确,就要分析狭义相对论的基础:迈克尔逊莫雷实验的意义,迈克尔逊假定光速是受光源与以太之间相对运动影响的,而实验结论是否定的,否定的不是以太,而是光速受以太相对运动影响这个论断(其实波速不受介质运动影响是中学生就该掌握的知识),就像不能通过测量声速不受空气运动影响,也就是声速不变,就宣布空气不存在一样,所以迈克尔逊莫雷实验结论的正确解读应该是:光是波,光速是波速,光速和光源与介质之间的相对运动无关,光传输的媒介以太是存在的。相对论是该被奥卡姆剃刀剃掉的理论。



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