物理學歷史繞不開的名字很多，牛頓、麥克斯韋、波爾以及楊振寧等等，同學們都很熟悉，但論人氣第一，在中國首推愛因斯坦。無他，因為他帶給大家的超光速、時間倒流、穿越時空太過神奇，你不引用其中一個都不好意思說你懂科學。

穿越時空

拜托了，各位同學，扔掉你地攤文學版的相對論吧，愛因斯坦哪有這么玄幻，雖然他的確是一個顛覆了物理學界的人。不過與科幻無關(guān)，還很科學。

這故事的開頭，我們得先從牛頓說起。

猜出萬有引力公式的牛頓

感謝中國的九年義務教育，牛頓成為了一個讓同學們無法回避的符號；小學時，你會被牛頓腦袋讓蘋果砸的故事所鼓舞；中學則為牛頓運動三定律和萬有引力定律引發(fā)的運算而痛苦；好不容易熬到大學了，還得從牛頓力學體系中跳出來硬杠相對論體系。

牛頓表示，看來哪里都得有我嘛。

牛頓力學體系的核心——牛頓力學三大定律和萬有引力定律公式到底是怎么得來的呢？我們有很大的理由相信，牛頓是猜出來的。

行星運行

牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的時候，開普勒（人稱天空的立法者）已經(jīng)從第谷觀測的海量天文數(shù)據(jù)里歸納出了行星運動的三大定律，同時代的胡克、哈雷等人都有可能從里面猜出了引力和距離的平方反比關(guān)系，憑借平方反比這把鑰匙，整個萬有引力定律其實已經(jīng)呼之欲出了。

我說這些并非在否定牛頓。好比你熟悉每一個音符，也不能一步登天成為偉大的音樂家。

牛頓的偉大在于，他從紛亂繁多的定律中，創(chuàng)造性的引入了數(shù)學，并順手發(fā)明了微積分，構(gòu)建起一個“萬有”的邏輯自洽的力學體系，解釋了當時世界上所有的運動關(guān)系。讓科學最終取代了上帝來主宰整個宇宙的運行。

牛頓的視角吧

同學們注意了沒，“萬有”很重要，他讓科學最終取代了上帝；同樣重要的是，傳統(tǒng)物理學研究遵循的規(guī)律實驗-理論-對稱性這樣一條法則，牛頓也一同樹立起來了，這是往后兩百多年大家研究科學的鐵律。

“萬有”好理解，那么“對稱性”是個啥？

對稱性與物理定律

物理學天才大師費曼曾說，如果用一句話來概括現(xiàn)代科學最重要的發(fā)現(xiàn)，他首推 “世界是原子組成的”。如果有機會再補一句，毫無爭議的將是 “對稱性是宇宙規(guī)律的基礎(chǔ)”。如果愛因斯坦來點評的話，他一定會肯定這個說法。

建筑物的對稱性

對稱廣泛存在于我們?nèi)粘Ｉ钪校鴮ΨQ性的精確數(shù)學定義則表現(xiàn)為不變性——例如一個圓，你無論旋轉(zhuǎn)多少度，它還是一個圓——旋轉(zhuǎn)不變性。

物理學家不大關(guān)心一個圓的旋轉(zhuǎn)，他們關(guān)心的是物理定律的對稱性。簡單的說，他們不讓圓旋轉(zhuǎn)，而選擇自己繞著圓運動，觀察者變換觀察位置，圓也還是一個圓。引申到物理定律時，我們同樣發(fā)現(xiàn)，兩者是等效的。

如果將圓換成物理定律，那么我們認為一個物理定律在某些操作下保持不變，這個物理定律在這些操作下具有某種不變性。

我們剛剛講過的牛頓運動定律就具備旋轉(zhuǎn)不變性，旋轉(zhuǎn)不變性的實質(zhì)就是空間的各向同性。通過確立空間的各向同性，牛頓定律就可以在宇宙各個地方成立，牛頓萬有引力的精髓——萬有——才真正得以確立。

宇宙法則

這就是對稱性的強大和無可替代之處。也是物理定律放諸四海皆準的來源。

愛因斯坦也靠猜嗎？

牛頓立了規(guī)矩，在他之后的物理學家就是按照實驗-理論-對稱性這樣一條法則進行科學研究，簡單的說，曾經(jīng)的科學家們做各種實驗，比較各種測量數(shù)據(jù)，然后去研究這些數(shù)據(jù)背后展現(xiàn)的規(guī)律，最后用一組數(shù)學公式來“解釋”這些數(shù)據(jù)。

如果解釋得通，他們就把它當做這種現(xiàn)象的物理定律。更進一步的話，還揭示了隱藏在理論里的對稱性。

我們清晰的看到實驗-理論-對稱性這樣一條法則貫穿其中，這也符合我們常規(guī)的經(jīng)驗和判斷。大家一路打怪刷分，經(jīng)典物理學進入百年的黃金時代。

時間來到19世紀末20世紀初，事情起了微妙的變化，兩朵烏云襲來，物理學眼看風起云涌。

愛因斯坦勇敢的站出來，挽狂瀾于既倒，對牛頓的鐵律第一個說了不——把科學研究的過程給顛覆了。

對，就是我，愛因斯坦

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)按照上面的過程，當問題變得比較復雜，或者實驗結(jié)果超出我們的經(jīng)驗范疇，根本沒有足夠多的數(shù)據(jù)去猜公式的時候，老辦法根本走不下去了。

對，我們指的就是相對論，特別是廣義相對論。它們的誕生就是愛因斯坦不走尋常路的結(jié)果。

相對論有多難？

鋪墊了這么多，終于該我們的主角愛因斯坦正式登場了！我們知道愛因斯坦的大名，首先離不開他創(chuàng)立的狹義相對論和廣義相對論。當然他極富傳奇色彩的人生，也是加分項，但我們今天不講八卦，專攻學術(shù)。

那么，為什么在歷史中，從來沒有人要和愛因斯坦搶奪相對論的發(fā)現(xiàn)權(quán)呢？要知道，強如牛頓，他的三大力學定律和萬有引力定律，甚至微積分，都曾經(jīng)為第一發(fā)明權(quán)的確立斗得天昏地暗，有些至今仍是歷史懸案！

這么說吧，狹義相對論還是可以爭執(zhí)一把的，但廣義相對論則毫無爭議，只能是愛因斯坦的獨創(chuàng)之功。

時間相對性

狹義相對論的確是一個很接近被發(fā)現(xiàn)的理論，在1905年前后，縱觀科學界發(fā)表的論文，和科學家的研究成果，其實很多物理學家都已經(jīng)接近了狹義相對論。洛倫茲甚至都推導出洛倫茲變換了——狹義相對論的計算基本可以用洛倫茲變化完成。

簡而言之，在狹義相對論的發(fā)現(xiàn)上，愛因斯坦的天才努力當然重要，但是運氣很明顯也站在了他這一邊。他只要跨過擺脫絕對時空觀的束縛，就可以把勝利的果實收入自己囊中。

愛因斯坦的顛覆性

廣義相對論則不同。

在20世紀初，唯一能聯(lián)想到廣義相對論的鑰匙，只有一個水星近日點進動數(shù)據(jù)異常問題。它幾乎是當時極少數(shù)不符合牛頓引力理論的表現(xiàn)。即使把時間指向2019年的今天，人們面對天王星軌道不符合牛頓引力理論這一問題，主流的反應仍舊是去探索處于遙遠柯伊伯帶的“第九行星”！而不是去思考去推翻牛頓力學體系吧。

水星

愛因斯坦抓住了唯一的鑰匙，打開了物理學新世界的大門，并趟出了一條新路。

愛因斯坦意識到當理論變得復雜的時候，試圖從實驗去歸納出理論的方式是行不通的，他要找更加可靠的東西，這個更加可靠的東西就是對稱性！

愛因斯坦先通過觀察分析，確立一個他認為可靠的對稱性，然后從對稱性出發(fā)，去思考新的理論。再通過數(shù)學，直接推導出理論方程。最后才是設(shè)計實驗，用試驗數(shù)據(jù)來驗證他的理論是否正確。

宇航應用

這時候，原來的實驗-理論-對稱性變成了嶄新的對稱性-理論-實驗。對稱性從原來理論的副產(chǎn)品變成了決定理論的核心，實驗則從原來的歸納理論的基礎(chǔ)變成了驗證理論的工具。這一個思路和這個思路下誕生的相對論，才是愛因斯坦偉大的精髓所在。

這個一個改變有多厲害？在愛因斯坦之后，物理學研究的方法徹底顛覆了，目前所有的物理學家都是這么干的。

廣義相對論的真正價值

愛因斯坦利用這樣思路，首先挑選確定了廣義坐標不變性，然后從這個對稱性出發(fā)，推導出一套新的引力理論，再引入黎曼幾何等數(shù)學工具，最后得到的就是廣義相對論。

著名的愛因斯坦傳記作家C.P.斯諾在傳記中這樣記錄：狹義相對論，要是愛因斯坦沒有想到，別人也會想到，很可能在5年之內(nèi)。這是一件在等著要發(fā)生的事。但廣義相對論則完全不同！沒有愛因斯坦的創(chuàng)造，我們今天有可能還在等待那個理論。

宇航應用

為什么當時其他科學家看到廣義相對論之后一臉迷惑，因為愛因斯坦是第一個這么反過來干的人。

正是由于廣義相對論的大獲成功，人們才發(fā)現(xiàn)原來理論研究還可以這么干，物理學才有了繼續(xù)走下去的可能性，并且創(chuàng)造了今天的輝煌。

所以超光速、時間倒流、時空穿越都不是愛因斯坦的本意，對稱性地位的顛覆性發(fā)現(xiàn)，才是愛因斯坦的真功夫。

你就根本不會了解愛因斯坦，也更無法理解廣義相對論。

結(jié)語

 

時空穿越

愛因斯坦說過，上帝不擲骰子！但事實上，上帝一直在擲骰子，目前還根本停不下來。

但是，愛因斯坦也說過，如果上帝不選用對稱性作為構(gòu)造世界的理論，那么他簡直就是瞎子！

上帝沒瞎，他這次沒瞞過愛因斯坦的眼睛。

我是貓先生，感謝閱讀。