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狭义相对论与广义相对论

求证:小明是坏人?

因为小明是坏人所以他干的事都是坏事;

因为小明干的事是坏事,所以他是坏人。

证明完毕!估计小明看到这样的论证方式都直接表示“呵呵”了。然而狭义相对论也面临同样的问题,这个问题来源于加速度。

先来看狭义相对论的第一个原理:一切物理规律适合惯性参考。什么是惯性参考系?可以简单定义为没有加速度,保持静止或者匀速直线运动参考系;那么怎么判断没有加速度呢?只能这样回答:物体保持静止或者匀速运动状态则认为没有加速度。这是个死循环,互为因果,结果导致不因不果。

此外还有个问题,作为速度界的老大——光速也经受考验。这也是一个历史遗留问题,即引力是否是超距作用?如果是,这个作用的速度是无穷大的,显然光速难以望其项背;如果不是,则要向“场”靠拢,即物体形成一个“引力场”,就如电磁场一样。否则没有理由相信有人把太阳偷走,地球过8分钟才能感觉到。

1905年是物理学的“奇迹年”,不过爱因斯坦本人却还没有立刻成为传奇,他还是专利局的职员,只是稍微的升了几级。1907年,受朋友之邀写一些关于狭义相对论方面的东西,他猛烈的感觉到他对此前的论文并不满意,不满意的地方可概括为上述说的两个问题。

话说某天,爱因斯坦坐在办公司里,思考上述问题,一筹莫展。突然他灵感一动,考虑一个理想的实验。假设一个人在封闭的电梯里,当电梯的缆绳突然全部断开,电梯将做自由落体运动,电梯里的人会感觉如何呢?

1.人因为失重会感觉不舒服,那是因为人习惯和适应了在地球重力下生活,且不用考虑;

2.对于外面的世界,电梯里的人会一无所知,因为没有参考。也就是说,他不知道自己处于自由落体状态,还是漂浮状态,感觉像在没有引力的外太空行走一样。

同理,如果将这个电梯置于外太空,用某个力拉动电梯,电梯里的人只会感觉来自地板的推力,其他也感受不到,也就是说,他不知道是外力是来自某个物体的推力还是来自星星的引力。

综上所述,引力加速度和加速度是一回事,上面的两个问题可以归结为一个问题,即引力问题。一个自由落地的人感受不到自身的重量,那是因为他的加速系中同时存在一个新的引力场,这个引力场与地球的引力场相互抵消。这就是“等效原理”。

爱因斯坦将此称为:“我一生中最幸福的思想。”我们知道爱因斯坦全身每个细胞都是一个故事,所以“等效原理”被改编成爱因斯坦看到一个油漆工从房顶上掉了下来而突发灵感的,如果真是如此,不知道爱因斯坦和这位油漆工有多大的仇恨。诚然,故事都是为了吸引眼球服务的,只是改编的有些残忍:伽利略是从比萨斜塔上扔下两个球,牛顿是一个苹果砸在脑袋上,爱因斯坦却牺牲了一个大活人,如果都将这些看成是上帝的启示,那么这种启示也越来越沉重了,也许下一个掉下的是一个大陨石,就像6500万年前,恐龙灭绝那次一样。 不管怎样,爱因斯坦已经初步的解决了狭义相对论带来的烦恼。

闲言少叙!到了 1907年时,物理学的另外一个分支——量子力学已经悄然兴起,爱因斯坦也是量子力学的奠基人之一。在此后的4年内,爱因斯坦大部分精力都放到了研究量子上了。到了1911年,爱因斯坦也转行为大学的教授和普鲁士科学院院士,他也将精力重新放到引力和引力场上来,此时联想到另外一个“电梯实验”开。

想象一下,当封闭的电梯正在加速向上运动,A面一束光从小孔传入,到达B面时光线与地板距离会略微小一点点。这是因为光线由于加速度变的弯曲了,根据等效原理,也可以认为是某种引力场使得光线弯曲。换句话说,光线通过引力场是会发生弯曲。

光为什么会弯曲呢?欧几里得告诉我们:两点之间直线最短,即一个人从A地想从到B地,走直线最省事,但是他要从北京走到纽约(不考虑掉到海里),最短的路程却是绕地球表面形成的弧线而不是直线了,这条弧线称为“测地线”。测地线源于地球测量,表示两点之间最短的路径。测地线告诉我们这样走就会安逸舒服爽,那么光弯曲也是因为引力场中的“测地线”决定的。引力场改变了时空,使得平直时空变成弯曲的了。爱因斯坦其实就是要建立新的时空方程,找出时空弯曲的规律。

古人云:书到用时方恨少,曾经不爱研究数学的爱因斯坦肯定感受到了这点,他对黎曼几何几乎一无所知。幸好他的好朋友格罗斯曼懂数学,朋友一般分为两种,一种是锦上添花,另一种是雪中送炭,格罗斯曼无疑是后者,教了爱因斯坦很多关于黎曼空间的理论,还包括里面很高深的东西,高智商的爱因斯坦也是一点就通,但是和最终的方程还有很多路要走。

爱因斯坦正在一步一步的解决科学带来的烦恼,但是生活上的却一直挥之不去。主要来源以下几点:

1.欧洲反对犹太人的思想日益加重,已经蔓延到和他一起工作的同事,所以他和很多同事割裂开来;

2.个人家庭及情感问题。他和他的妻子之间矛盾已经到了必须求助于法官的底部,同时他又和自己的表姐发展一段至死不渝的婚外恋,后来这位表姐和他结为夫妻;

3.版权归属问题。在狭义相对论时,很多科学家都已经接近答案了,最终让爱因斯坦捷足先登,后人对此也颇有微词。斩草不除根、春风吹又生,现在新的理论,不能和以前一样,他必须要赶在别人找到答案之前建立完美的方程,而且他隐约的感觉到德国大数学家希尔伯特已经接近正确的方程了。

此时爱因斯坦已经搬到德国首都柏林居住,这些烦恼让爱因斯坦的生活陷入了混乱之中,除了应付“离婚还是结婚、这是一个问题”外,他的日子几乎就是吃饭睡觉思考,思考睡觉吃饭中度过。自然用爱因斯坦的CPU运算应该是很快的,1915年,他几乎想清楚了每一个关于引力的细节。

6月,爱因斯坦在一次会议上他见到的希尔伯特,和希尔伯特讨论之后,爱因斯坦发现以前的担心是多余的,他必须费力的向希尔伯特解释新引力理论的每个细节,而且希尔伯特听起来还是有些艰涩。

到了11月底,爱因斯坦已经找到了完美的方程,更为难得的是,通过方程的计算,从理论上解释了困扰百年的水星近日问题——水星近日时,实际位置与根据万有引力推测的有些出入。

与此同时,他收到希尔伯特的来信,希尔伯特告诉他,在几周之前他本人也计算过水星近日的问题,而且已经提交到有关部门了——这说明或许希尔伯特已经建立了新的方程。爱因斯坦的心弦有紧绷了一次,他委婉的告诉希尔伯特他拥有广义相对论的优先权。希尔伯特大度回复表示,他的计算方法远不如爱因斯坦的迅速有效,并告诉人们广义相对论的版权不属于数学家。实际上,也确实如此。后来有人问爱因斯坦,即便没有他,也会有人很快发现狭义相对论,爱因斯坦回答说:是的,但是广义相对论可能要延后30-40年。

1916年,广义相对论发表,爱因斯坦的烦恼也烟消云撒。今年(2016)是广义相对论的100岁大寿。

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