愛因斯坦偉大,僅僅是因為相對論?(後篇)

上一篇文章我講解了愛因斯坦偉大的地方,其中談到的一個核心點就是:愛因斯坦發明了一種全新的探索物理規律的方法。那麼這一期我就來揭曉這種方法到底是啥?

首先在此回顧上一期的內容,我們談到愛因斯坦發現狹義相對論,用的還是舊方法,也就是先做實驗分析資料,然後猜公式,再用實驗資料去驗證公式,其技術路線可以簡單表示為:實驗——資料——猜公式——驗證公式——探索完畢。

愛因斯坦偉大,僅僅是因為相對論?(後篇)

但是正如上一期所說,自然界的物理規律有時並非用簡單的公式就可以表達出來,比如牛頓第二定律:

F=ma,F是力的大小,m是物體質量,a是加速度,整個公式實在太簡單,公式表達的函式關係是一種線性關係,這種公式只要有一點數學功底和嚴謹的實驗資料,基本都能猜出來。也許有人會不服,如果這麼容易猜出來,為啥當時的人都沒猜出來,就牛頓猜出來了。其實很簡單,因為當時的人們都以為力才能維持物體做運動,這個符合人類直覺的觀點一直根深蒂固在人腦中,一時之間很難打破。所以牛頓一旦打破了這個固有觀念,猜出第二定律也就不難了。

但是真實的物理世界其實有很多規律,其對應的方程是非常複雜的非線性關係,如果真的去靠實驗獲取資料,然後分析資料規律去猜背後的物理公式,這是一種極其簡單粗暴低端的物理規律探索方法。有沒有更為便捷、簡單的方法呢?當然有,那就是愛因斯坦發明的方法。

愛因斯坦偉大,僅僅是因為相對論?(後篇)

愛因斯坦最開始發現了狹義相對論,也就是時間和空間的相對性,其對應的公式也不復雜,無非就是洛倫茲變換+時間膨脹公式+長度收縮公式等等,一共沒幾個,而且每一個公式都很簡單。因為狹義相對論的學術成果都是用傳統方法猜出來的。

但是廣義相對論卻是由10個二階非線性偏微分方程組成,而且每個方程都非常複雜,如果再去用傳統的看資料、猜公式的套路來搞科研,給你幾百年也別想猜出其中一個方程。所以愛因斯坦肯定不是透過猜公式從而給出了廣義相對論的場方程的。既然不能猜公式,還能如何獲取最終的物理公式?公式難道還能天上自己掉下來?

愛因斯坦偉大,僅僅是因為相對論?(後篇)

哈哈,公式的確會自己送上門來,但是需要你以嚴謹的科學態度去迎接它。愛因斯坦想到了一個探索物理規律的新方法,那就是先研究探索物理規律這個行為本身有啥規律。請注意我的用詞,探索規律本身所具有的規律,可能有點繞口,但是你細細品味就會發現,愛因斯坦的思想高度已經和一般人不一樣了。一般的物理學家都是一股腦的去探索物理規律,但是愛因斯坦已經在思考這個“探索過程”本身有啥規律。也就是說此時愛因斯坦的研究物件已經變為:探索物理規律這個行為本身。也就是所謂規律的規律,或者叫二重規律。

愛因斯坦偉大,僅僅是因為相對論?(後篇)

什麼叫物理規律的規律,比如我前面提到了一個定律叫“諾特定律”,這個定律告訴我們,我們這個世界的物理規律基本都具有對稱性,也就是物理規律基本不會

1、因時間變化而變化(一個物理規律,你今天做實驗是這樣,明天也是這樣)

2、不會因地點變化而變化(一個物理規律,你在中國做實驗是這樣,在美國也是這樣)

3、不會因角度變化而變化(一個物理規律,你平行於地面做是這樣,垂直於地面做還是這樣)

4、也不會因映象化而變化(一個物理規律,鏡子外是這樣,鏡子裡面也是這樣)(當然弱力下宇稱不守恆,這是特例)

愛因斯坦偉大,僅僅是因為相對論?(後篇)

這是所有物理規律都遵循的規律,也就是所謂規律的規律。當愛因斯坦把當時所有能想到的這種規律的規律理一遍後發現,透過這些規律的規律,一直用邏輯往下推,竟然可以直接得出一些物理規律的公式。那麼接下來要做的事情就是,馬上做實驗去驗證這個公式是否正確,即可完成該物理規律的探索。

但是為啥透過規律的規律,然後進行推理就能直接獲取物理學術成果?其實很簡單,因為規律的規律可以說是世界萬物最根本的規律,所有的規律都是在這個根本基礎上進行拓展的,所以只要你確保這個根本規律沒錯,往下做推理就能直接獲取很多意想不到的學術成果收穫。所以愛因斯坦給出了廣義相對論的場方程,一個極其複雜的物理公式被愛因斯坦直接推理出來,這是一個劃時代的開拓。

愛因斯坦偉大,僅僅是因為相對論?(後篇)

在愛因斯坦廣義相對論之前,人們做出的物理學術成果對應的物理公式,基本都是很簡單的公式,但是自從愛因斯坦發現了廣義相對論並給出了一個新的探索物理規律的方法,從此以後,物理學術成果中複雜的公式開始慢慢被人類發現,人類探索物理規律的效率一下子就大幅提升了。後來的楊振寧教授就深深受到了愛因斯坦這種新方法探索規律的影響,從而也做出了非常厲害的學術成果。

所以愛因斯坦之所以偉大,並不僅僅是因為相對論,也因為他發明的探索物理規律新方法,有了這個方法,相當於給後來的物理學家指明瞭一條更為便捷的探索策略。很多反相對論者認為愛因斯坦的相對論是一種錯誤,不停的在網上輸出自己毫無成果的主觀思想來反駁相對論,但是可悲的是他自己在反駁過程中,壓根就沒搞懂相對論到底在說啥。更可悲的是,他壓根不知道愛因斯坦的偉大之處,原來還因為愛因斯坦研究出了規律的規律。希望今天的文章能讓大家深刻體會大上個世界的物理學家,是如何探索我們這個物理世界的,人類的進步離不開他們,對他們致以最高的敬意吧。我是小彭來給您解惑,如果喜歡文章可關注。