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為什麽有些人難以理解愛因斯坦的相對論?

2024-02-07科學

尊敬的讀者,感謝您在百忙之中閱讀我的文章,這是對我努力的肯定,也是持續創作的動力,向您致以我最誠摯的敬意,希望能得到您的一個"關註",在此感謝!

大多數人對邏輯的理解恰恰相反。這是不幸的,因為愛因斯坦的獨創性就在於這種逆轉。在這裏,他果斷地與勞侖茲、龐加萊、菲茨傑拉德和其他在他之前持有理論的科學家決裂。

有缺陷的邏輯還讓人們擔心為什麽相對論沒有準確地提到時鐘是如何變慢的,或者為什麽米會縮小,並想知道為什麽物理學家在其他理論已經發展的同時卻不斷提出相對論。

正如經常發生的那樣,愛因斯坦本人非常清楚地解釋了相對論與大多數理論的不同之處。

「在物理學中,有不同類別的理論。其中大多數都是建設性的。他們試圖基於相對簡單的形式方案來描繪更復雜的現象。因此,氣體動力學理論試圖將機械、熱和擴散過程簡化為分子運動,即在分子運動假設的基礎上建立它們。當我們說我們已經成功地理解了一組自然過程時,我們總是意味著已經找到了涵蓋所考慮的過程的建設性理論。

除了這一類最重要的理論之外,還有第二類理論,我將其稱為「理論原理」。他們使用分析方法而不是合成方法。構成其基礎和起點的要素不是假設構建的,而是根據經驗發現的,自然過程的一般特征,生成單個過程或其理論表示必須滿足的數學制定標準的原則。

因此,熱力學科學試圖透過分析手段從普遍接受的永動不可能性的事實中推匯出單個事件必須滿足的必要條件。建構性理論的優點是完整性、可制造性和清晰性,而原理性理論的優點是邏輯完善性和基礎的可靠性。

相對論屬於後一類。」

(愛因斯坦,1919)

與「原則性」方法相反的「建設性」方法是愛因斯坦思想與其前輩的區別所在。如果我們遵循勞侖茲或龐加萊試圖解釋空靈風實驗的無效結果的嘗試,我們就會看到他們如何嘗試從已知的物理理論中拼湊出建設性的理論。也就是說,他們研究了在以太靜止框架中構建的電磁方程式,然後計算了諸如電荷球之類的物體在穿過以太時如何改變形狀(從而獲得了勞侖茲壓縮等現象)。

愛因斯坦所做的卻完全不同。他沒有從以太系統中構建的物理定律開始,並用它們來建立微觀物理結構來解釋該系統的不可檢測性,而是扭轉了整個問題。

也就是說,他假設不可檢測性是普遍存在的——事實上,它是自然法則的一部份——並將其提升到了原則的地位。在相對論原理和光假設的幫助下,愛因斯坦得出了這兩個特征對物理定律的意義的結論。他所需要的只是他 1905 年文章的第一頁;文本的其余部份用於推導結果,這些結果對於力學和電動力學(當時的主要建設性理論)來說非常普遍。

數學家應該認識到,愛因斯坦的原則性方法類似於他們所處理的邏輯結構:從一些前提他們可以得出激進的結論,並且這些結論將精確地有效,並且僅在這些前提有效的領域中有效。當然,範式的一個例子是歐幾裏得幾何(考慮到相對論最終引導愛因斯坦走向何方,這很諷刺)。

民間歷史表明,「設計師」最初對愛因斯坦的舉動感到震驚。事實上,這似乎有點誇張。

勞侖茲關於愛因斯坦只是「假設他們試圖證明的事情」的言論經常被討論,而忽略了勞侖茲在贊揚愛因斯坦強大的概念轉變及其深遠影響的背景下發表這番言論的事實。然而,根據口頭報告,龐加萊仍然持懷疑態度,並繼續致力於他的並列「建設性」方法,直到 1912 年去世。

愛因斯坦與熱力學的相似之處是有用的,因為它提供了一個例子,說明基礎理論如何能夠極其強大,並且即使面對周圍物理學的巨大革命也能保持相關性。

卡諾和克勞修斯在構建熱力學時並沒有關註氣體或物質的微觀物理理論。他們對微觀物理學是什麽仍然完全不可知,並將他們的理論建立在四個原則(三個定律加上所謂的零定律)之上,他們要求我們簡單地接受這些原則。考慮到這一點,他們展示了可以對任何涉及熱的過程做出多少種預測,並且是獨立於微觀物理學進行的。這些首要原則的基本原理僅僅是這些預測的觀測成功。這是一個巨大的優勢,因為熱力學已經能夠透過氣體動力學理論、原子理論、量子革命的建立來保持其相關性,並且現在還套用於黑洞等奇異物體。熱力學本身並不關心是否 我們現在可以將多種類別物質的統計機械解釋「置於」之下;有趣的是,我們可以做到這一點,而且這是一項有價值的工作,但它與熱力學邏輯無關,只要其四個原理適用,熱力學邏輯就仍然有效。

與相對論的相似之處應該是顯而易見的。愛因斯坦提出了他的兩個原理,並用它們推匯出涉及物體相對運動的任何物理過程的各種後果。再說一遍,這種推理完全獨立於微觀物理學。沒有人需要擔心究竟是什麽微物理過程導致每一米縮小或每種類別的時鐘變慢——弄清楚它肯定會很有趣,但構建這些解釋並不是理論的邏輯。作為一個原理理論,它指出——只要這些原理是正確的——任何能夠充當量尺或時鐘的物體都必須按照愛因斯坦所描述的方式執行,無論它是如何構造的或在它發生時發生了什麽。原子級別。等級。畢竟,如果不是這樣,就有可能區分一個慣性系統和另一個慣性系統。因此,愛因斯坦的邏輯在量子革命、量子場論和(大多數人打賭)可預見的未來的任何新物理學中仍然保持穩健。

那些不接受相對論作為基本理論的人可能會對以下事實感到困惑:物理學家願意賭上一切來維護勞侖茲百年概念的有效性,而所謂的類似(建設性)理論卻不斷被取代。確實有區別。

值得註意的是,愛因斯坦一開始也采取了建設性的做法,但最終他意識到自己一無所獲。這促使他尋找更強大的工具:

「漸漸地,我對透過基於已知事實的建設性努力發現真正法律的可能性感到絕望。我嘗試的時間越長、越努力,我就越相信,只有發現普遍的形式原則才能讓我們得到有保證的結果。我面前看到的例子是熱力學。」 (愛因斯坦,自傳筆記)。