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爱因斯坦为什么要创立相对论?想解决水星进动问题?

如果说狭义相对论爱因斯坦捡了别人的果实,装在了自己的篮子里,那么广义相对论则完全是爱因斯坦自己一个人的思想成果。

如果说爱因斯坦不提出狭义相对论,很快就会有人发现这个理论,但如果没有爱因斯坦,广义相对论不知何时会出现在人们面前。

足以见得,广义相对论才是爱因斯坦最大的成就,也是人们认识自然的一次伟大胜利,当广义相对论发表以后,爱因斯坦才名誉全球,成为了可以比肩牛顿的科学巨人。

那么在说广义相对论之前,我们首先要知道的是,为什么爱因斯坦要创立广义相对论,他的动机是什么?

因为在爱因斯坦当时所处的环境中,量子论才是当时研究的主流,而且爱因斯坦也是量子论的创立者之一,他为什么不随主流,而另辟蹊径去研究引力。

好,我们开始今天的正题。

爱因斯坦的困惑。

我们知道在狭义相对论中,有这样一个基本假设,所以的物理定律在惯性系下保持逻辑形式和数学形式不变,这是狭义相对论的基础。

而在非惯性系下,物理定理将发生改变,比如你在非惯性系下做自由落体的实验,小球就不是垂直落下,而是会受到一个和加速度方向相反的惯性力的影响,下落的轨迹会变成一个曲线。

由于这个惯性力的存在,你不论做任何实验,得到的结果都会受到惯性力大小的影响。所以狭义相对论跟牛顿力学一样,回避了非惯性系,选择了简单的惯性参照系,不去考虑非惯性系下的物理状态。

但是爱因斯坦深知,他的狭义相对论和牛顿力学有同样的痛处,这个之前我们讲过,就是你无法准确的定义惯性系,当你描述一个惯性系的时候,会说一个不受力的参考系会做惯性运动,它就是惯性系,那么什么是不受力?做惯性运动的参考系就不受力。

很明显,这样的循环论证导致了惯性系无法定义,牛顿为了解决这个问题,引入绝对空间,说,相对于绝对空间做惯性运动的参考系就是一个惯性系。

但是爱因斯坦不能这么干,因为他的狭义相对论否定了绝对空间和时间,而且认为运动是相对的,不存在绝对静止的物体。

因此狭义相对论发表以后,爱因斯坦清楚他的理论基础(惯性系)有问题。

所以在这之后,爱因斯坦根本没有时间顾得上什么量子论,他一直在思考一个问题,惯性系真的存在吗?惯性系为什么这么特殊?为什么它就可以凌驾于非惯性系之上?

先说惯性系真的存在吗?答案是否定的!你看,在地球上做匀速直线运动的物体,其实它的运动并非是直线,因为地球本身就是弯曲的。

那么地球自身是惯性系吗?很明显也不是,它在自转还在公转,太阳系呢?银河系呢?都不是。你在宇宙中找不到一个真正的惯性系,即使是漂浮在宇宙空间中的流浪行星,它也会受到其他天体引力的影响,所以惯性系存粹就是我们理想出来的参照系。

而现在的物理定律却建立在这个虚无渺茫的基础之上,狭义相对论只适用于匀速、和没有引力的世界,无法考虑有引力和加速度存在时候的物理状态。

而真实的世界都是非惯性运动。所以爱因斯坦必须抛弃惯性系,他认为物理定律应该是普适的,不应该会因为观察者运动状态的改变而发生改变,因此他需要将狭义相对论推广到非惯性运动中去,解决因为引力和加速度的存在,而带来的长期困扰。

爱因斯坦具体是怎样,将物理定律推广到所有的参照系下保持不变,这个我们下节课再说。这是非常重要的一步,也是一个非常重要的思想。

下面我们接着说,爱因斯坦创立广义相对论的另外两个动机。

首先狭义相对论否定了超光速的信息传递,认为宇宙中的任何相互作用的极限速度为光速,但是,牛顿的引力理论和数学形式貌似并不限制引力的作用速度。

从牛顿引力方程中,我们很容易产生这样的错觉,认为引力是一个瞬时超距的作用力,这样的作用方式,就会破坏现实的因果性。

比如,太阳突然消失,地球瞬间就会飞离太阳系,但是太阳消失的光线8分钟以后才会达到地球,我们才能获得太阳消失的这个事件的信息。

如果引力是超距作用力,我们会看到太阳明明在天空中待得好好的,但地球却不知为何不受控制地飞离了太阳系。

这是很明显的违反了因果律,地球飞出去的结果就会出现在太阳消失这个原因之前。

所以牛顿引力和狭义相对论不兼容。我们需要从理论和数学上消除这种超距作用的可能。

其次,除了超距作用以外,爱因斯坦对牛顿引力方程的改造也势在必行。因为狭义相对论出来以后,相对性原理就成为了一个检验物理理论数学形式的范本。

说白了就是,任何物理定律的数学形式必须满足洛伦兹变化下不变的性质,这个基本原理目前看来是正确的,已经成为了物理学中定理中的定理。

只要有一个理论的数学形式不满足洛伦兹协变性,那么这个理论就需要被改造,你看,牛顿力学不符合,经过改造以后成为了相对论力学;

麦克斯韦方程组不需要改造,因为人家天生就满足洛伦兹协变性,就拿量子力学中的薛定谔方程,也有相对论版本的,称为狄拉克方程。

很明显,牛顿引力理论的数学形式并不符合洛伦兹协变性,所以改造它势在必行。

这就是爱因斯坦创立广义相对论的动机,从狭义相对论发表以后的十年间,爱因斯斯坦全身心的投入到了将狭义相对论推广到非惯性系的工作中,根本没有时间例会量子力学的发展。

好了,今天的内容就到这里,下节课我们说,爱因斯坦如何处理困扰他的引力和加速度问题。