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为什么有些人难以理解爱因斯坦的相对论?

2024-02-07科学

尊敬的读者,感谢您在百忙之中阅读我的文章,这是对我努力的肯定,也是持续创作的动力,向您致以我最诚挚的敬意,希望能得到您的一个"关注",在此感谢!

大多数人对逻辑的理解恰恰相反。这是不幸的,因为爱因斯坦的独创性就在于这种逆转。在这里,他果断地与洛伦兹、庞加莱、菲茨杰拉德和其他在他之前持有理论的科学家决裂。

有缺陷的逻辑还让人们担心为什么相对论没有准确地提到时钟是如何变慢的,或者为什么米会缩小,并想知道为什么物理学家在其他理论已经发展的同时却不断提出相对论。

正如经常发生的那样,爱因斯坦本人非常清楚地解释了相对论与大多数理论的不同之处。

「在物理学中,有不同类型的理论。其中大多数都是建设性的。他们试图基于相对简单的形式方案来描绘更复杂的现象。因此,气体动力学理论试图将机械、热和扩散过程简化为分子运动,即在分子运动假设的基础上建立它们。当我们说我们已经成功地理解了一组自然过程时,我们总是意味着已经找到了涵盖所考虑的过程的建设性理论。

除了这一类最重要的理论之外,还有第二类理论,我将其称为「理论原理」。他们使用分析方法而不是合成方法。构成其基础和起点的要素不是假设构建的,而是根据经验发现的,自然过程的一般特征,生成单个过程或其理论表示必须满足的数学制定标准的原则。

因此,热力学科学试图通过分析手段从普遍接受的永动不可能性的事实中推导出单个事件必须满足的必要条件。建构性理论的优点是完整性、可制造性和清晰性,而原理性理论的优点是逻辑完善性和基础的可靠性。

相对论属于后一类。」

(爱因斯坦,1919)

与「原则性」方法相反的「建设性」方法是爱因斯坦思想与其前辈的区别所在。如果我们遵循洛伦兹或庞加莱试图解释空灵风实验的无效结果的尝试,我们就会看到他们如何尝试从已知的物理理论中拼凑出建设性的理论。也就是说,他们研究了在以太静止框架中构建的电磁方程,然后计算了诸如电荷球之类的物体在穿过以太时如何改变形状(从而获得了洛伦兹压缩等现象)。

爱因斯坦所做的却完全不同。他没有从以太系统中构建的物理定律开始,并用它们来创建微观物理结构来解释该系统的不可检测性,而是扭转了整个问题。

也就是说,他假设不可检测性是普遍存在的——事实上,它是自然法则的一部分——并将其提升到了原则的地位。在相对论原理和光假设的帮助下,爱因斯坦得出了这两个特征对物理定律的意义的结论。他所需要的只是他 1905 年文章的第一页;文本的其余部分用于推导结果,这些结果对于力学和电动力学(当时的主要建设性理论)来说非常普遍。

数学家应该认识到,爱因斯坦的原则性方法类似于他们所处理的逻辑结构:从一些前提他们可以得出激进的结论,并且这些结论将精确地有效,并且仅在这些前提有效的领域中有效。当然,范式的一个例子是欧几里得几何(考虑到相对论最终引导爱因斯坦走向何方,这很讽刺)。

民间历史表明,「设计师」最初对爱因斯坦的举动感到震惊。事实上,这似乎有点夸张。

洛伦兹关于爱因斯坦只是「假设他们试图证明的事情」的言论经常被讨论,而忽略了洛伦兹在赞扬爱因斯坦强大的概念转变及其深远影响的背景下发表这番言论的事实。然而,根据口头报告,庞加莱仍然持怀疑态度,并继续致力于他的并行「建设性」方法,直到 1912 年去世。

爱因斯坦与热力学的相似之处是有用的,因为它提供了一个例子,说明基础理论如何能够极其强大,并且即使面对周围物理学的巨大革命也能保持相关性。

卡诺和克劳修斯在构建热力学时并没有关注气体或物质的微观物理理论。他们对微观物理学是什么仍然完全不可知,并将他们的理论建立在四个原则(三个定律加上所谓的零定律)之上,他们要求我们简单地接受这些原则。考虑到这一点,他们展示了可以对任何涉及热的过程做出多少种预测,并且是独立于微观物理学进行的。这些首要原则的基本原理仅仅是这些预测的观测成功。这是一个巨大的优势,因为热力学已经能够通过气体动力学理论、原子理论、量子革命的创建来保持其相关性,并且现在还应用于黑洞等奇异物体。热力学本身并不关心是否 我们现在可以将多种类型物质的统计机械解释「置于」之下;有趣的是,我们可以做到这一点,而且这是一项有价值的工作,但它与热力学逻辑无关,只要其四个原理适用,热力学逻辑就仍然有效。

与相对论的相似之处应该是显而易见的。爱因斯坦提出了他的两个原理,并用它们推导出涉及物体相对运动的任何物理过程的各种后果。再说一遍,这种推理完全独立于微观物理学。没有人需要担心究竟是什么微物理过程导致每一米缩小或每种类型的时钟变慢——弄清楚它肯定会很有趣,但构建这些解释并不是理论的逻辑。作为一个原理理论,它指出——只要这些原理是正确的——任何能够充当量尺或时钟的物体都必须按照爱因斯坦所描述的方式运行,无论它是如何构造的或在它发生时发生了什么。原子级别。等级。毕竟,如果不是这样,就有可能区分一个惯性系统和另一个惯性系统。因此,爱因斯坦的逻辑在量子革命、量子场论和(大多数人打赌)可预见的未来的任何新物理学中仍然保持稳健。

那些不接受相对论作为基本理论的人可能会对以下事实感到困惑:物理学家愿意赌上一切来维护洛伦兹百年概念的有效性,而所谓的类似(建设性)理论却不断被取代。确实有区别。

值得注意的是,爱因斯坦一开始也采取了建设性的做法,但最终他意识到自己一无所获。这促使他寻找更强大的工具:

「渐渐地,我对通过基于已知事实的建设性努力发现真正法律的可能性感到绝望。我尝试的时间越长、越努力,我就越相信,只有发现普遍的形式原则才能让我们得到有保证的结果。我面前看到的例子是热力学。」 (爱因斯坦,自传笔记)。