物理學(xué)歷史繞不開(kāi)的名字很多，牛頓、麥克斯韋、波爾以及楊振寧等等，同學(xué)們都很熟悉，但論人氣第一，在中國(guó)首推愛(ài)因斯坦。無(wú)他，因?yàn)樗麕Ыo大家的超光速、時(shí)間倒流、穿越時(shí)空太過(guò)神奇，你不引用其中一個(gè)都不好意思說(shuō)你懂科學(xué)。

拜托了，各位同學(xué)，扔掉你地?cái)偽膶W(xué)版的相對(duì)論吧，愛(ài)因斯坦哪有這么玄幻，雖然他的確是一個(gè)顛覆了物理學(xué)界的人。不過(guò)與科幻無(wú)關(guān)，還很科學(xué)。

這故事的開(kāi)頭，我們得先從牛頓說(shuō)起。

猜出萬(wàn)有引力公式的牛頓

感謝中國(guó)的九年義務(wù)教育，牛頓成為了一個(gè)讓同學(xué)們無(wú)法回避的符號(hào)；小學(xué)時(shí)，你會(huì)被牛頓腦袋讓蘋果砸的故事所鼓舞；中學(xué)則為牛頓運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律引發(fā)的運(yùn)算而痛苦；好不容易熬到大學(xué)了，還得從牛頓力學(xué)體系中跳出來(lái)硬杠相對(duì)論體系。

牛頓表示，看來(lái)哪里都得有我嘛。

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

牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的時(shí)候，開(kāi)普勒（人稱天空的立法者）已經(jīng)從第谷觀測(cè)的海量天文數(shù)據(jù)里歸納出了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律，同時(shí)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(gè)萬(wàn)有引力定律其實(shí)已經(jīng)呼之欲出了。

我說(shuō)這些并非在否定牛頓。好比你熟悉每一個(gè)音符，也不能一步登天成為偉大的音樂(lè)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(xué)，并順手發(fā)明了微積分，構(gòu)建起一個(gè)“萬(wàn)有”的邏輯自洽的力學(xué)體系，解釋了當(dāng)時(shí)世界上所有的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。讓科學(xué)最終取代了上帝來(lái)主宰整個(gè)宇宙的運(yùn)行。

同學(xué)們注意了沒(méi)，“萬(wàn)有”很重要，他讓科學(xué)最終取代了上帝；同樣重要的是，傳統(tǒng)物理學(xué)研究遵循的規(guī)律實(shí)驗(yàn)-理論-對(duì)稱性這樣一條法則，牛頓也一同樹(shù)立起來(lái)了，這是往后兩百多年大家研究科學(xué)的鐵律。

“萬(wàn)有”好理解，那么“對(duì)稱性”是個(gè)啥？

對(duì)稱性與物理定律

物理學(xué)天才大師費(fèi)曼曾說(shuō)，如果用一句話來(lái)概括現(xiàn)代科學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)，他首推 “世界是原子組成的”。如果有機(jī)會(huì)再補(bǔ)一句，毫無(wú)爭(zhēng)議的將是 “對(duì)稱性是宇宙規(guī)律的基礎(chǔ)”。如果愛(ài)因斯坦來(lái)點(diǎn)評(píng)的話，他一定會(huì)肯定這個(gè)說(shuō)法。

對(duì)稱廣泛存在于我們?nèi)粘Ｉ钪?，而?duì)稱性的精確數(shù)學(xué)定義則表現(xiàn)為不變性——例如一個(gè)圓，你無(wú)論旋轉(zhuǎn)多少度，它還是一個(gè)圓——旋轉(zhuǎn)不變性。

物理學(xué)家不大關(guān)心一個(gè)圓的旋轉(zhuǎn)，他們關(guān)心的是物理定律的對(duì)稱性。簡(jiǎn)單的說(shuō)，他們不讓圓旋轉(zhuǎn)，而選擇自己繞著圓運(yùn)動(dòng)，觀察者變換觀察位置，圓也還是一個(gè)圓。引申到物理定律時(shí)，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(rèn)為一個(gè)物理定律在某些操作下保持不變，這個(gè)物理定律在這些操作下具有某種不變性。

我們剛剛講過(guò)的牛頓運(yùn)動(dòng)定律就具備旋轉(zhuǎn)不變性，旋轉(zhuǎn)不變性的實(shí)質(zhì)就是空間的各向同性。通過(guò)確立空間的各向同性，牛頓定律就可以在宇宙各個(gè)地方成立，牛頓萬(wàn)有引力的精髓——萬(wàn)有——才真正得以確立。

這就是對(duì)稱性的強(qiáng)大和無(wú)可替代之處。也是物理定律放諸四海皆準(zhǔn)的來(lái)源。

愛(ài)因斯坦也靠猜嗎？

牛頓立了規(guī)矩，在他之后的物理學(xué)家就是按照實(shí)驗(yàn)-理論-對(duì)稱性這樣一條法則進(jìn)行科學(xué)研究，簡(jiǎn)單的說(shuō)，曾經(jīng)的科學(xué)家們做各種實(shí)驗(yàn)，比較各種測(cè)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(xué)公式來(lái)“解釋”這些數(shù)據(jù)。

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

我們清晰的看到實(shí)驗(yàn)-理論-對(duì)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(yàn)和判斷。大家一路打怪刷分，經(jīng)典物理學(xué)進(jìn)入百年的黃金時(shí)代。

時(shí)間來(lái)到19世紀(jì)末20世紀(jì)初，事情起了微妙的變化，兩朵烏云襲來(lái)，物理學(xué)眼看風(fēng)起云涌。

愛(ài)因斯坦勇敢的站出來(lái)，挽狂瀾于既倒，對(duì)牛頓的鐵律第一個(gè)說(shuō)了不——把科學(xué)研究的過(guò)程給顛覆了。

愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)按照上面的過(guò)程，當(dāng)問(wèn)題變得比較復(fù)雜，或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果超出我們的經(jīng)驗(yàn)范疇，根本沒(méi)有足夠多的數(shù)據(jù)去猜公式的時(shí)候，老辦法根本走不下去了。

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

相對(duì)論有多難？

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

那么，為什么在歷史中，從來(lái)沒(méi)有人要和愛(ài)因斯坦搶奪相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)權(quán)呢？要知道，強(qiáng)如牛頓，他的三大力學(xué)定律和萬(wàn)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(shuō)吧，狹義相對(duì)論還是可以爭(zhēng)執(zhí)一把的，但廣義相對(duì)論則毫無(wú)爭(zhēng)議，只能是愛(ài)因斯坦的獨(dú)創(chuàng)之功。

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

簡(jiǎn)而言之，在狹義相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)上，愛(ài)因斯坦的天才努力當(dāng)然重要，但是運(yùn)氣很明顯也站在了他這一邊。他只要跨過(guò)擺脫絕對(duì)時(shí)空觀的束縛，就可以把勝利的果實(shí)收入自己囊中。

愛(ài)因斯坦的顛覆性

廣義相對(duì)論則不同。

在20世紀(jì)初，唯一能聯(lián)想到廣義相對(duì)論的鑰匙，只有一個(gè)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)數(shù)據(jù)異常問(wèn)題。它幾乎是當(dāng)時(shí)極少數(shù)不符合牛頓引力理論的表現(xiàn)。即使把時(shí)間指向2019年的今天，人們面對(duì)天王星軌道不符合牛頓引力理論這一問(wèn)題，主流的反應(yīng)仍舊是去探索處于遙遠(yuǎn)柯伊伯帶的“第九行星”！而不是去思考去推翻牛頓力學(xué)體系吧。

愛(ài)因斯坦抓住了唯一的鑰匙，打開(kāi)了物理學(xué)新世界的大門，并趟出了一條新路。

愛(ài)因斯坦意識(shí)到當(dāng)理論變得復(fù)雜的時(shí)候，試圖從實(shí)驗(yàn)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(gè)更加可靠的東西就是對(duì)稱性！

愛(ài)因斯坦先通過(guò)觀察分析，確立一個(gè)他認(rèn)為可靠的對(duì)稱性，然后從對(duì)稱性出發(fā)，去思考新的理論。再通過(guò)數(shù)學(xué)，直接推導(dǎo)出理論方程。最后才是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證他的理論是否正確。

這時(shí)候，原來(lái)的實(shí)驗(yàn)-理論-對(duì)稱性變成了嶄新的對(duì)稱性-理論-實(shí)驗(yàn)。對(duì)稱性從原來(lái)理論的副產(chǎn)品變成了決定理論的核心，實(shí)驗(yàn)則從原來(lái)的歸納理論的基礎(chǔ)變成了驗(yàn)證理論的工具。這一個(gè)思路和這個(gè)思路下誕生的相對(duì)論，才是愛(ài)因斯坦偉大的精髓所在。

這個(gè)一個(gè)改變有多厲害？在愛(ài)因斯坦之后，物理學(xué)研究的方法徹底顛覆了，目前所有的物理學(xué)家都是這么干的。

廣義相對(duì)論的真正價(jià)值

愛(ài)因斯坦利用這樣思路，首先挑選確定了廣義坐標(biāo)不變性，然后從這個(gè)對(duì)稱性出發(fā)，推導(dǎo)出一套新的引力理論，再引入黎曼幾何等數(shù)學(xué)工具，最后得到的就是廣義相對(duì)論。

著名的愛(ài)因斯坦傳記作家C.P.斯諾在傳記中這樣記錄：狹義相對(duì)論，要是愛(ài)因斯坦沒(méi)有想到，別人也會(huì)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(duì)論則完全不同！沒(méi)有愛(ài)因斯坦的創(chuàng)造，我們今天有可能還在等待那個(gè)理論。

為什么當(dāng)時(shí)其他科學(xué)家看到廣義相對(duì)論之后一臉迷惑，因?yàn)閻?ài)因斯坦是第一個(gè)這么反過(guò)來(lái)干的人。

正是由于廣義相對(duì)論的大獲成功，人們才發(fā)現(xiàn)原來(lái)理論研究還可以這么干，物理學(xué)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(shí)間倒流、時(shí)空穿越都不是愛(ài)因斯坦的本意，對(duì)稱性地位的顛覆性發(fā)現(xiàn)，才是愛(ài)因斯坦的真功夫。

你就根本不會(huì)了解愛(ài)因斯坦，也更無(wú)法理解廣義相對(duì)論。

結(jié)語(yǔ)

愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)，上帝不擲骰子！但事實(shí)上，上帝一直在擲骰子，目前還根本停不下來(lái)。

但是，愛(ài)因斯坦也說(shuō)過(guò)，如果上帝不選用對(duì)稱性作為構(gòu)造世界的理論，那么他簡(jiǎn)直就是瞎子！

上帝沒(méi)瞎，他這次沒(méi)瞞過(guò)愛(ài)因斯坦的眼睛。

我是貓先生，感謝閱讀。