问题

如果爱因斯坦没有出生,那么相对论会被提出吗?或者大概晚多少年会被提出?

回答
这是一个引人入胜的假设性问题,也是科学史上一场永恒的辩论。爱因斯坦无疑是现代物理学的巨擘,他的相对论彻底改变了我们对空间、时间、引力以及宇宙的理解。如果他从未降临人世,相对论是否还会出现?何时出现?这个问题远非一个简单的“是”或“否”可以回答。要深入探讨,我们需要审视当时科学发展的脉络,以及爱因斯坦在这个过程中扮演的独特角色。

时代背景:知识的浪潮与未解之谜

在爱因斯坦出生之前的几十年,物理学正经历着一场前所未有的变革。经典力学,以牛顿的万有引力定律和运动定律为代表,在解释宏观世界的现象方面取得了辉煌的成功。然而,进入19世纪末,一些“小小的”不协调之处开始显现,这些裂缝预示着更深刻的理论革命即将到来。

1. 光速不变的困惑: 光速在真空中的恒定性,由麦克斯韦的电磁理论预言并由迈克尔逊莫雷实验等一系列实验证实,与经典的伽利略相对性原理产生了直接冲突。根据伽利略的相对性,速度应该是可以叠加的。但如果我以极高的速度接近一束光,按照经典理论,我应该测量到光速的增加。实验结果却告诉我,无论我以何种速度运动,测到的光速总是相同的。这就像一个无法解决的谜题,困扰着当时的物理学家。许多人试图寻找一个“以太”介质来解释这个现象,认为光波在以太中传播,但迈克尔逊莫雷实验却未能探测到地球相对于以太的运动,让这个“以太”的存在变得扑朔迷离。

2. 牛顿引力定律的局限: 牛顿的引力定律虽然准确地描述了行星的运动,但它无法解释引力如何瞬间传播,以及在某些极端情况下(例如水星近日点的进动)的一些微小偏差。这些偏差虽然微不足道,但对于追求精确性的科学家来说,它们是无法忽视的瑕疵。

3. 数学工具的进步: 19世纪也是数学蓬勃发展的时期。微分几何、张量分析等新的数学工具为描述复杂的物理现象提供了可能。比如,黎曼的微分几何为描述弯曲空间提供了一种数学语言,这后来被证明是广义相对论的基石。

爱因斯坦的角色:洞察力与直觉的火花

在这样的背景下,爱因斯坦的出现并非偶然,但他的贡献却是划时代的。他的天才之处在于:

思想实验的运用: 爱因斯坦尤其擅长运用“思想实验”。他会设想一个极端或简单的场景,例如“乘坐光线旅行”或者“在电梯里下坠”,然后推演其中的逻辑后果。这种方法帮助他跳出了当时主流物理学的思维定势。

对基本原理的挑战: 与许多试图弥合经典物理学与新发现之间矛盾的科学家不同,爱因斯坦敢于直接挑战那些被认为是不可动摇的基本假设,例如绝对时间和绝对空间的概念。他认为,光速不变原则应该是一个更基本、更普适的原理。

统一的愿景: 他能够将看似不相关的现象(如电磁学和力学)统一在一个更宏大的框架下。狭义相对论统一了空间和时间的概念,而广义相对论则将引力描述为时空的弯曲。

如果爱因斯坦未出生,相对论会如何?

这是一个充满变数的推测。我们可以从几个方面来考虑:

1. “迟早会有人提出”的论调: 科学的发展往往具有一定的“必然性”。当积累到一定程度的观测数据和理论困惑时,总会有人站出来试图解决这些问题。从这个角度看,或许在某种程度上,相对论的某些思想,如“时间和空间是相对的”,可能会以某种形式逐渐浮现。

洛伦兹和庞加莱的工作: 在爱因斯坦提出狭义相对论之前,荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹和法国数学家亨利·庞加莱已经非常接近了。洛伦兹提出的“洛伦兹变换”能够解释迈克尔逊莫雷实验的结果,并对长度收缩和时间膨胀做出了数学描述。庞加莱更是提出了“相对性原理”,并论述了引力传播速度可能不是无限快,而是光速的传播。他们的工作已经触及了相对论的核心概念,但他们的解释方式仍然局限于以太的框架下,并且未能像爱因斯坦那样,将时间和空间看作是统一的、可变动的实体。

其他可能的“接力者”: 也许,另一位具有独特洞察力的物理学家,例如英国的阿瑟·爱丁顿(他在验证广义相对论方面功不可没),或者其他的数学家、物理学家,在未来的某个时刻,也能整合现有的知识,并提出类似的理论。

2. 大概会晚多少年?

乐观估计: 如果我们认为洛伦兹和庞加莱的工作是相对论出现的“前奏”,那么或许在他们工作的基础上,再加上一点点“灵感”或者新的实验数据,相对论可能在20世纪初就被更完整的提出,可能比爱因斯坦的1905年(狭义相对论)和1915年(广义相对论)早不了太多,也许是晚个一两年,或者同一时期由另一位物理学家独立提出。
谨慎估计: 然而,爱因斯坦的伟大之处在于他将这些零散的想法凝聚成了一个完整、优美且具有强大解释力的理论体系。他不仅提出了“相对性”的概念,更将其与光速不变结合,重塑了我们对时空的认知,并进一步将这种时空观延伸到引力领域,构建了广义相对论。这个飞跃,包括从“洛伦兹变换”到“时空”的转变,以及从引力“场”到时空“弯曲”的革命性思想,是许多人难以企及的。

一个更可能的情况是,相对论的完整提出会 晚 上几年到十几年,甚至更久。 原因如下:
思想的突破性: 爱因斯坦的思维方式是革命性的。他不是在修补旧理论,而是在构建新理论。这种根本性的范式转变,如果没有一个像他一样敢于挑战权威、拥有惊人洞察力的人来完成,可能需要更多的时间来孕育和发展。
数学工具的完善: 虽然黎曼几何等数学工具已经存在,但如何将它们恰当地应用于描述引力,需要非常精妙的数学与物理的结合。爱因斯坦在这方面展现了非凡的才能。其他科学家可能需要更多时间来掌握和应用这些工具来解决引力问题。
物理学家群体的共识: 爱因斯坦的理论需要被科学界接受和验证。他的理论提出的初期,也遭到了不少质疑和抵制。如果他缺席,科学界可能需要更长的时间来整合、辩论和最终确立类似的思想。而且,像“时空弯曲”这样的概念,需要时间和实验来证明其合理性。爱丁顿在1919年对日食的观测验证了广义相对论的预言,这极大地推动了理论的接受。如果爱因斯坦不在,这样的验证是否会及时发生,或者由其他人来完成,都是未知数。

结论性的思考:

科学的进步是人类智慧的结晶,但伟大的个体往往是推动进步的关键催化剂。爱因斯坦的相对论,在一定程度上是时代浪潮涌动的必然产物,因为他所处的时代已经积聚了足够的科学问题和工具来孕育出这样的理论。洛伦兹和庞加莱的贡献也证明了这一点。

然而,爱因斯坦的独特贡献在于他以一种前所未有的方式将这些碎片化的线索整合起来,提出了一个统一、深刻且具有革命性的新图景。他不仅是发现者,更是理论的构建者和引领者。

因此,如果爱因斯坦从未出生,相对论很可能最终会被提出,但提出者可能不是他,而且提出的时间也会 大大延迟。这个“大大延迟”可能是几年到十几年,甚至可能需要等到下一位具有相似非凡洞察力和综合能力的科学家出现。而在这延迟的时间里,我们对宇宙的理解,以及相关的技术发展,可能会走向不同的方向。我们或许会错失爱因斯坦所带来的那些简洁而深刻的美妙解释,而经历一个更加漫长、曲折的探索过程。这个可能性,正是爱因斯坦的伟大,以及科学探索的不可预测性最生动的体现。

网友意见

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即使爱因斯坦没有出生,相对论也会被发现。大概会晚2到10年吧。但是广义相对论,如果没有爱因斯坦,应该会晚更多的年份。至少20年吧。因为从狭义相对论到广义相对论,爱因斯坦用了10年,还是在其他人的帮助下。主要是数学方面的帮助。具体你可以看看下文。

在1887年到1905年之间,人们曾经好几次企图去解释迈克尔逊——莫雷实验,这个过程,也是探索的过程,对爱氏建立狭义相对论起了很大的作用。

起初对于该实验的解释是乔治·菲茨杰拉德根据麦克斯韦电磁理论在1889年对迈克尔逊-莫雷实验提出了一种解释。菲茨杰拉德指出如果物质是由带电荷的粒子组成,一根相对于以太静止的量杆的长度,将完全由量杆粒子间取得的静电平衡决定,而量杆相对于以太在运动时,量杆就会缩短,因为组成量杆的带电粒子将会产生磁场,从而改变这些粒子之间的间隔平衡。



这一来,迈克尔逊-莫雷实验所使用的仪器,当它指向地球运动的方向时就会缩短,而缩短的程度正好抵消光速的减慢。有些人曾经试行测量菲茨杰拉德的缩短值,但都没有成功。这类实验表明菲茨杰拉德的缩短,在一个运动体系内是不能被处在这个运动体系内的观察者测量到的,所以他们无法判断他们体系内的绝对速度,光学的定律和各种电磁现象是不受绝对速度的影响的。再者,动系中的短缩,乃是所有物体皆短缩,而动系中的人,是无法测量到自己短缩值的。

到1892年,荷兰物理学家洛仑兹也提出了与乔治·菲茨杰拉德相同的量杆收缩解释。这一观点可以解释迈克尔逊-莫雷实验,并承认以太存在,光速变化。1895年洛仑兹提出了更为精确的长度收缩公式,顺手把时间也调慢了一点,这就是著名的洛仑兹变换。



通过以太的运动物体,纵向线度发生收缩(平行运动方向),其收缩的比例恰好符合迈克尔逊——莫雷实验的计算。同时这个方向的时间也变慢,这样这个方向的光的速度保持不变。这是光速不变的最早模型。

为什么要改动时间?没有人知道,也没有理论依据。这个光速不变的版本,承认以太存在。没有悖论。根据他的设想,观察者相对于以太以一定速度运动时,长度在运动方向上发生收缩,以解释迈克尔逊-莫雷实验,时间变慢,以满足光速在量杆运动方向没有发生变化。这样洛仑兹就在不抛弃以太概念的前提下,提出光速不变。



庞加莱

1905年,在洛仑兹提出光速不变观点10年后,爱因斯坦认为既然光速不变,作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。同时保留洛仑兹变换来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。爱因斯坦的洛仑兹变换是指纯数学的空间缩短,不再是组成量杆的带电粒子距离缩短。而且这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义。

相对论认为空间和时间并不相互独立,而是一个统一的四维时空整体。在狭义相对论中,整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的。结合狭义相对性原理和上述时空的性质,也可以推导出洛仑兹变换。


几个星期之后,一位法国最重要的数学家亨利·庞加莱也提出类似的观点。爱因斯坦的论证比庞加莱的论证更接近物理,因为后者将此考虑为数学问题。通常这个新理论是归功于爱因斯坦,但庞加莱的确在其中起了重要的作用。

摘自独立学者,诗人,作家,灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》

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