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在1905年,爱因斯坦提出了划时代的时空理论——狭义相对论,由此掀起了物理学的变革,现代物理学的一大基石宣告诞生。10年之后,爱因斯坦又提出了全新的引力理论——广义相对论。一百多年后,爱因斯坦的理论预言才逐渐被现代科技所证实。那么,在当年科技尚不发达的情况下,为什么爱因斯坦能够提出如此超前的理论呢?

事实上,在爱因斯坦那个年代,相对论的种子已经开始萌芽。当时间进入20世纪之后,物理学家普遍认为物理大厦已经基本建造完工,后世只需做一些修补工作就行。然而,飘荡在物理学大厦上空的一朵乌云让一些物理学家感到不安。

为什么爱因斯坦能提出超前百年的相对论?

早前的物理学家认为,真空中遍布以太,这是光传播的介质,以太系就是宇宙的绝对静止参照系。为了证明以太的存在,迈克耳逊和莫雷两位物理学家进行了一项著名的光干涉实验。结果表明,宇宙中不存在以太,而光速在任何参照系里都是不变的。

关于光速的不变性,在更早的麦克斯韦光速公式中已经可见一斑。在麦克斯韦的真空光速公式中,计算光速的两个常数(真空介电常数、真空磁导率)只与真空有关,并不存在任何的方向性,这意味着光速是不变的。

为什么爱因斯坦能提出超前百年的相对论?

不过,以太概念深入那个时代物理学家的思维,即便是当时的大物理学家洛伦兹也始终坚持以太的存在。为了解释迈克耳逊-莫雷实验,洛伦兹提出了一种数学手段——洛伦兹变换。

爱因斯坦则提出了完全不同的看法,他坚持实验的结果,认为光速是不变的,而变的是时间和空间。由此,爱因斯坦创立了狭义相对论。在爱因斯坦看来,牛顿的绝对时空观是不成立的,时空因为参照系的不同而不同。从狭义相对论推导出的钟慢效应、质能方程等结论最终都被实验逐一证实,并得到应用。

为什么爱因斯坦能提出超前百年的相对论?

在创立狭义相对论之后,爱因斯坦一直在研究如何把引力也纳入相对论体系。爱因斯坦用物质和能量弯曲时空产生的几何效应来解释引力现象,由此创立了广义相对论。

基于广义相对论,爱因斯坦做出了一系列重要的预言,其中包括引力透镜效应、引力红移、黑洞、引力波。但在那个时代,受制于有限的科技水平,很多预言都无法进行验证。直到最近这些年,引力波、黑洞等现象才被直接探测到。

之所以爱因斯坦能够提出超前的物理学理论,一部分原因当然离不开他那极为敏锐的物理学思维,还有一部分原因是爱因斯坦也是站在巨人的肩膀上。在那个时代,已经有几位物理学家接近狭义相对论。如果再晚个5年,狭义相对论就不属于爱因斯坦。

但广义相对论就不一样了,没有爱因斯坦,恐怕再过50年可能也没有人会提出这个引力理论。广义相对论是爱因斯坦一生最引以为豪的成就,他非常相信自己的理论最终会得到实验的证实。

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