有人比爱因斯坦先想到相对论?相对论的诞生历史,你知道吗?


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宇宙空间到底有什么

这个问题 , 如果问今天的科学家 , 他们会说宇宙空间高度真空 , 最多也就只有一些辐射、星际气体及尘埃等等 。 但是 , 如果你要问20世纪初的科学家 , 他们会告诉你 , 宇宙空间充满了以太 。
以太这个概念 , 听起来挺神秘的 。 实际上 , 它在2000多年前就由亚里士多德提出了 。 这个概念不仅神秘 , 还随着人类科学观的发展而变化 。 到了20世纪初 , 它被看作是光的传播介质 。 他们认为 , 光之所以能够在太空中传播 , 就因为太空中有以太
问题在于 , 如果光真的通过以太传播 , 那么传播速度应该是不变的 。 然而 , 在著名的迈克尔逊-莫雷实验中 , 光被证明在不同的惯性系和不同方向上都拥有相同的传播速度 , 这对以太的理论形成了挑战 。

一直到了1905年 , 瑞士专利局的一位小职员解决了这个问题 。 他发表论文称 , 人类应该摒弃以太的概念 , 因为无论观测者如何运动 , 测得的光速都是一样的 。 按照这个理论 , 人们甚至要改变时间的观念 , 承认在不同运动状态下观测到的时间流逝速度也会不同 。
这些理论非常大胆 , 但人们很快就意识到这个小职员的理论有多么正确 。 这位小职员由此声名鹊起 , 成为了历史上最伟大的科学家之一 , 他就是爱因斯坦 。
不过 , 在爱因斯坦之前 , 有些科学家已经意识到了相同的理论 。 我们知道 , 爱因斯坦的狭义相对论中 , 涉及到了几个公式 , 那就是洛伦兹变换 , 它们解释了以相对论速度(达到光速百分比)运动的物体在质量、长度、时间等方面发生的变化 。

听这个名字就知道 , 洛伦兹变换是由一位名叫洛伦兹的物理学家提出的 。 洛伦兹老爷子明明找到了这个公式 , 有机会解释光速不变的现象 , 但他仍然停留在以太的世界里 , 明明走到了狭义相对论的门口 , 却没有敲门 。
洛伦兹的许多成就都是很重大的 , 并且在1902年因为其他理论获得诺贝尔奖 。 这么杰出的物理学家也难免陷入思维定式 , 可见爱因斯坦打破传统有多难 。
有一种说法大家可能听说过 , 那就是如果没有爱因斯坦 , 狭义相对论也会很快被提出;但如果没有爱因斯坦 , 广义相对论不一定要等到多久以后才能被认知 。

在提出狭义相对论后 , 爱因斯坦就意识到了这个理论的局限性 。 他从1907年开始意识到万有引力可以超光速的矛盾 , 但直到1911年才开始仔细思考这个问题 。
1912年 , 他找到的方向 , 那就是通过对几何学的调整 , 来建立引力与加速度的关系 。 但是 , 他又遇到了新的问题 , 那就是如何调整几何学 。
幸运的是 , 他在朋友的帮助下 , 找到了答案 , 那就是黎曼几何 。 几十年前 , 当黎曼建立这个理论的时候 , 也只把它看作是纯粹的数学概念 , 他做梦也想不到这玩意能和现实世界挂上钩 。

在恶补了一番黎曼几何后 , 爱因斯坦终于找到了梦寐以求的方程 。 在这个过程中 , 他还和数学家大卫·希尔伯特聊过这个话题 。 事实证明 , 专业的数学家做运算还是比爱因斯坦快 , 希尔伯特在爱因斯坦之前就找到了这个方程 。 不过 , 他只不过是完成了运算而已 , 思想和灵感完全来自于爱因斯坦 , 所以大家都承认是爱因斯坦建立了这个方程 , 提出了广义相对论 。
广义相对论告诉我们 , 质量可以扭曲周围的时空 , 越大质量的天体对周围时空的扭曲越强烈 。 所谓的万有引力 , 其实是物质在被扭曲的空间中运动的结果 。
广义相对论的提出 , 真的轰动了世界 , 在宇宙天体尺度下 , 它推翻了人们奉为真理的牛顿力学 。 而且 , 不论是1919年著名的日食观测还是解释水星近日点进动之谜 , 广义相对论都得到了完美验证 , 也不由得人们不相信这个理论 。

毫无疑问 , 相对论是迄今为止最伟大的理论之一 。 然而 , 爱因斯坦终其一生都没有能够凭借相对论获得诺贝尔奖 , 这是为什么呢?

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