爱因斯坦为什么能在当时没有计算机、科技又不怎么发达的情况下,提出那么超前的理论?

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时势造英雄这在科学领域也是适用的。
图:1927年第五届索尔维会议

爱因斯坦提出的理论与计算机、科技都没有必要的联系,那个时候在物理学领域发挥的空间还是很大的。迈克尔逊莫雷实验被称为最成功的“失败实验”,不仅仅没有证明以太的存在,反而证明以太不存在。这就是开尔文曾说的物理学天空上的两朵乌云之一,在这朵乌云上必然会产生新的理论。

爱因斯坦在1905年一连发表了5篇论文,其中之一就是狭义相对论。关于狭义相对论这是时势所趋,即使没有爱因斯坦这个理论也可能会很快被其他人提出,当然名字可能就不是这个了。

但是爱因斯坦发现引力没有被狭义相对论囊括其中,经过十年磨一剑的钻研,最终在1916年提出了广义相对论。广义相对论才是爱因斯坦真正引以为豪的理论,其中的好多预言现象经过几十年甚至百年才被观测证明,最新的证明就是引力波的发现。

归根结底跟科技计算机等没有必要联系,主要是爱因斯坦的开创性思维和创造能力决定,同时再加上所处的时代环境,一批批名垂千古的科学家冒头儿出。



科学黑洞


爱因斯坦是现代物理学的奠基人,是与牛顿并肩的最伟大物理学家。爱因斯坦属于理论物理学家,具有超常的思维能力和创造力。

在被称为物理奇迹年的1905年,年仅26岁的爱因斯坦发表了多篇划时代的论文,光量子理论指导了人类在量子理论的进展,提出质能方程,推动原子核能的利用。

其中,爱因斯坦更重要的工作就是他提出的相对论,对千百年来人类时空观的进行了革命。狭义相对论提出对于高速运动物体,观测会发现尺缩钟慢,质量增加,再到光速不变。

随后十年间,爱因斯坦更是突破自我,进一步创立了广义相对论,从而把相对论发展到包括引力和加速运动的情况,为宇宙学的研究奠定了发展道路。

爱因斯坦在中学时就开始思考;“如果一个人以光速和光波一起跑,会看到什么现象”。作为一个追光的好奇少年,他一直为这些问题所激励。

爱因斯坦的工作当然建立在他坚实的数理基础之上,在16岁就自学完微积分。后来进入苏黎世联邦工业大学师从闵可夫斯基。

作为世上最伟大的科学家,爱因斯坦具有超前的思维和富于想象的探索精神,广义相对论提出的光在引力场的红移,直到1960年后才由实验测定太阳的引力红移来证实。爱因斯坦预言的引力波,近百年过去,才在最近被探测证实。


量子实验室


超前理论应该说的是广义相对论,因为狭义相对论并不算太超前。

其实广义相对论主要不是靠计算建立的,爱因斯坦是通过非凡的洞察力和想象力发现的。他在提出狭义相对论以后不久,爱因斯坦就发现了狭义相对论的两个大问题:1、惯性系无法定义。这是狭义相对论两大基础之一。2、万有引力无法纳入狭义相对论。在所有人都在惊叹狭义相对论这个伟大发现时,爱因斯坦已经默默在思考狭义相对论这两个致命问题了。

他首先从封闭箱子下落的思想实验中(即电梯自由落体实验)悟出了引力与加速度在无限小空间区域内等价的等效原理,这一年是发表狭义相对论后才两年的1907年。这时广义相对论的雏形,通过对等效原理的深入思考,广义相对论的时空弯曲理论形式已经基本成型了,接下来只是寻找它的数学形式,也就是对其进行定量化。

但弯曲的时空如何进行数学描述?这时爱因斯坦的数学完全不够用了,他无从入手。他找到自己的好基友在母校任教的数学系同学格罗斯曼,就是那个介绍他去瑞士专利局的好基友。格罗斯曼通过查阅资料终于帮爱因斯坦找到了合适的数学工具——黎曼几何和张量分析。接下来的几年爱因斯坦在格罗斯曼的帮助下陆续发表了一些关于弯曲时空数学形式的论文,并且两人还合作发布了广义相对论的第一条引力场方程,当然这条是有问题的。

虽然第一条引力场方程已经足够成功,爱因斯坦已经能够通过它计算出水星近日点进动,但是它依然有一个致命伤——需要依赖于参考系的选取。这不符合爱因斯坦的期望,他要构建的是一个适用于所有参考系的时空几何理论。但这时好基友已经爱莫能助了。最终爱因斯坦是在哥廷根大学被大数学家希尔伯特打通任督二脉后才终于找到了正确的引力场方程。

这个方程实际上只是定义了物质能量与时空曲率之间的数学关系,这是一个以张量形式写的方程,看起来好像很简单,但实际上它包含了十个二阶非线性偏微分方程组,解起来是极其复杂的。所以早期一般都是通过弱场近似的方式求解的。

因此实际上真正考验计算能力的是解引力场方程,而不是列方程。即使在计算机性能强大的今天,求解引力场方程往往还是使用近似算法,比如这几年人尽皆知的引力波,用于比对的引力波波纹数据建模就是通过一种叫后牛顿近似的算法进行计算的。

上图中间红色和灰色重叠的波纹线就分别是LIGO第一次探测到的引力波信号波纹和通过后牛顿近似计算建模的波纹比对。


星宇飘零2099


爱因斯坦是搞理论的,有一个夸张的说法是搞理论只需要一张纸、一支笔就够了。当然现在看是不可以了,现在搞理论甚至可以没有纸和笔,但是必须要有计算机,要有文献检索系统,关键还要有一个灵活的头脑。计算机的主要作用有加快计算过程、计算并模拟复杂过程、形象展示过程;文献检索系统可以让你快速的了解你的研究领域最近又有了什么新的进展,遇到了什么新的问题。

爱因斯坦说过:提出一个问题比解决一个问题更重要。因为解决问题往往只是数学或实验上的技能而已,而提出新的问题或新的可能性需要从新角度去看旧问题,需要有创造性的想象力,这标志着科学的真正进步。如果当时能够给爱因斯坦一台计算机,他或许可以把得到相对论的时间由十年变为五年。但是计算机只是一种工具,并不能直接给爱因斯坦提供新的设想和创造力,没有计算机并不能阻止爱因斯坦发现相对论。

另外,爱因斯坦之前的物理学基本是经典物理学,比起现代物理学要简单很多。比起现在物理学上海量的运算(互联网就是粒子物理学家为了传输实验数据发明的),相对论的推导及计算简直跟喝凉水一样轻松。现在若是在没有计算机的情况下去发现希格斯粒子,那是天方夜谭。


刁博


牛顿之后无力学!

狭相一一车轮悖论! 比如说,大地上跑着一列火车。火车(设为A惯性系)、大地(设为B惯性系)。再假设火车速度为0.5C(C为光速,C=300000000m/s)。火车每个车轮周长为1.5m。火车上有一个10ns(纳秒)钟,每10ns,该钟指针转一圈。 如按牛顿力学:无论对于A系(火车)或B系(大地):每过10ns,钟(指针)与车轮都同转一圈,按车轮周长算:火车向前行走1.5m。也就是火车速度都是0.5C,无问题。 可是,假如按照狭义相对论,对A系观察者速度无问题(V=0.5C),而对B系观察者:按照相对时间公式计算,对于B系(大地)观察者:自己时间每过11.547ns,火车上的钟(指针)与车轮才能转一圈(对B系观察者:A系时间慢,A系钟只能走10ns),由于实际车轮1.5m的周长限制,火车在11.547ns(B系时间)时间内,最多走1.5m。而1.5m除以11.547ns,这速度不等于而是小于0.5C(1.5m/10ns=0.5C)了,速度对不上帐了!这就等于对狭相公式构成悖论! 这是我做的车轮悖论! 总结:狭义相对论说,对于B系(大地)观察者来说,对方(A系)的时间慢了,既A系上的10纳秒钟(指针)与车轮都转的慢了,导致对于B系观察者,火车速度与原假设的0.5C速度对不上账了。可由此判定:狭义相对论错误!

如果换低速问题一样存在,只是速度差的小而已!

广相一一高山悖论!

设:在净高为3000米的高山上,有一台电风扇,山脚下有一台发电机,用电缆把它们连接起来。发电机发出的电能,带动风扇不停的转动。按照广相,发电机(低海拔)时间慢,电风扇(高海拨)时间快。发电机发出的电能慢,电风扇消耗的电能快?违背能量守恒了吧?根据电工学: Pt(风扇消耗)+Pt(线路损耗)=Pt(发电机发出电能),t(时间)必须相等,否则公式不成立!

注:

1、有功电能=Pt,如时间有快慢,电能就有快慢。

2、假设电路工作在串联谐振状态:串联回路电流相同,输出电压=负载电压(可以把导线当成负载一部分)。P=UI,输出功率=负载功率。

从现实的角度,思想试验可以采用以下办法改进! 换用小一点的风扇。在3000米高山上,修一个恒温恒压室,风扇在该室内转。在山脚下修一个大型恒温恒压车间,发电机在该车间里发电。连接该发电机与电风扇,可用超导电缆(现在已有生产的了)连接。恒温恒压室、恒温恒压车间、超导电缆所用电能由其他电源提供!

注:

1、电流:是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量。如果高、低处时间不等,岂不违反串联电路,电流相同的原则。

2、基尔霍夫第一定律,流入某一网络(或节点)的电流和,等于流出该网络(或节点)的电流和!

3、电风扇也可换为发热纯电阻或电灯。


香烟飘渺35


人类的大脑从来就不会顾忌在什么时代需要创造奇迹。事实上人类也就没有因为缺少奇迹而孤独过,这要得益于看似“脆弱”的大脑。

在爱因斯坦之前有被苹果砸到脑袋上的牛顿。在那之前有能够精确计算太阳历的玛雅人,苏美尔人和迄今为止写下了自从成书起就没几个人能看得懂的易经(论忽悠人,不得不佩服我们的老祖宗)。


不论从古至今,在地球上还是在地球之外。人类都不缺少展示智慧的勇气,但人类成功不是靠的运气。爱因斯坦说过,想象力比知识更重要。而想象力的引爆点是好奇心,这才是人类的进步的原动力。

火显然能带来灾害,但好奇心驱使人们第一次品尝烧焦的动物味道那~比生肉口感更好,也不会再拉肚子了。

当人类第1次在烟火中找寻节日的乐趣时~殊不知已经进入了热兵器时代。

当出现第1个关于月球的传说时~便注定了几千年后的某一天人类会真正的踏上这颗古老的星球。


人类作为一个年轻的种族。能凭借卓越的大脑,留下的奇迹已经够多了。但是我们感到好奇的东西还有很多,我们对光速好奇,所以研究虫洞的可能。我们对死亡好奇,所以我们要攻克疾病的障碍。我们好奇的用哲学去探寻我们的灵魂,所以人类能够进入更高阶的进化。

决定人类创造奇迹的,不是某一种先进的器械或者是计算工具,而是由好奇心驱使的大脑。让人类立于不败之地,永无止境的创造全新的在我。


星光之霖


在科学界有句调侃的话是这么说的“理论物理学家废纸,实验物理学家费电”,而爱因斯坦就属于理论物理学家,高性能的科学设备对他来说是没用的


物理学的突破是靠理论和实验互相配合才产生的,其实理论物理学家和实验物理学家之间没有什么明显的分界线,最多就是侧重点稍微不同而已,比如爱因斯坦就喜欢一支笔一个本在哪里鼓捣理论,而法拉第就喜欢自己动手做实验。

爱因斯坦理论的超前性是无可置疑的,1916年发表的广义相对论就预测了黑洞和引力波以及引力透镜的存在,然而人类直到几十年后才在宇宙中真正发现了它们,目前为止我们对宇宙的了解还没有突破爱因斯坦的理论。

其实广义相对论才是爱因斯坦真正超前的理论,因为它完全是靠爱因斯坦个人天才般的洞察力和想象力才诞生的。而狭义相对论思想在同期已经有一些人具备了,爱因斯坦不过是发表的早而已。

科学理论是科学家对物质世界的一种预测和推演,如果理论和后续的观察结果相匹配,那么这个理论就是正确的,反之如果理论与实际观测不符,那么就说明这个理论还有待完善。由此可见科学理论的诞生更多靠的是科学家本人的想象力和洞察力。


宇宙探索未解之迷


看到这个问题我先愣了一下,我没有奇怪题目中“科技不发达,没有计算机”这件事情,我奇怪的是“超前”二字。


因为理论上来说,任何一个物理学家,所研究的东西,或者提出的理论都不可能过于“超前”。


当然,这可能是我与题主对于超前的理解不一样。


我试图理解题主的超前的意思,大概是这么两类方向吧:第一,该理论提出之后当时的人们都不理解,或者不认同,直到很久之后才认同。第二,该理论提出之后,预言了很多东西,在随后很久之后才一个个被证明。


如果从这个意义上来说,确实挺超前的。


而我前面说的,任何一个物理学家,所研究的东西,或者提出的理论都不可能过于“超前”的意思是:任何一个物理学家,在研究过程中使用的工具,尤其是像爱因斯坦这样的理论科学家,使用的数学工具,以及用到的物理定理,都是当时整个科学界通用的工具,同样,以历史上的科学史来说,任何一个时代的物理学家研究的问题,也都是当时学界遇到的问题——这意味着两件事:第一,这个物理学家不可能跳过当前还没有研究清楚的物理问题,去“超前”的研究下一个物理问题(毕竟有先后关系);第二,这个物理学家在研究这个物理问题的时候,也不可能在新的数学工具没有发明之前,就使用这个工具。(当然,牛叉如牛顿,研究的过程中竟然发明了微积分,那就是特殊情况了,不过这也没有推翻前面的“跳过当前的工具进行超前研究”的说法。)


我这么说,看起来似乎有些较真儿,但还真不是,而是我想说出爱因斯坦的“超前理论”的本质:缘起不超前,结论超前。


首先,我们按部就班的说明一下物理学家的简单分类:理论物理学家和实验物理学家。当然,有八卦说这两拨人一段时间互相看不起对方,这种事情咱们就不聊了。简单来说,理论物理学家是利用当前的理论,实验结果以及数学工具(这是科学体系的公共必备工具)来解决,解释某些新现象,或者某些旧有理论无法解释的现象。而实验物理学家,主要是通过现实的实验,发现新的现象,或者与旧有理论不符合的现象。

爱因斯坦属于理论物理学家,对于他来说,真正有用的其实是实验数据,当前理论体系,数学工具,而这三个东西,计算机能帮的忙大概就是爱因斯坦理论推演过程中有些烦了,打打dota换换脑子,或者看看自己珍藏的小电影撸一把睡觉,明天继续推演。(天哪我都在说些什么!)


然后我们说一说爱因斯坦主要研究的几个所谓“超前”的理论:

爱因斯坦得诺贝尔奖是因为光电效应,不过关于这个部分,似乎并没有认为有什么超前的。

而主要被认为是超前的,是狭义相对论和广义相对论。尤其是广义相对论。

据说爱因斯坦说过,狭义相对论如果不是他提出,五年内就会有人提出,而广义相对论如果不是他提出,未来五十年都不会有人提出。(据说而已,我没有考证)

我们按照顺序,先看狭义相对论的提出缘起:

简单来说,狭义相对论主要是针对当时物理界遇到的大难题:光的速度不随参照系变化而变化——在光之前的所有物质,都符合参照系速度叠加原理,也就是说,一个物体的速度,与它的惯性参照系(伽利略参照系)的速度有关。但是光非常不一样,不论是理论计算(麦克斯韦),还是实际测试,人们都发现光的速度与参照系的速度无关,都是恒定的速度。

这是当时物理界的“公开问题”,而爱因斯坦的狭义相对论的缘起,也是为了解决/解释这个问题的——这就是缘起。

但是狭义相对论的理论结果却很“反常识”,其基于光速不变的客观事实,得出了不同速度下的时间不同的结论。这个结论显然超出当时物理学界的认识,以至于“诺奖”当时都没有因为这个理论而给他颁发奖。

当然,在随后的时候,狭义相对论被实验证实了,在随后的日子里,人们才逐渐接受这个当时不被接受的理论。


从上面的简要过程,我们可以得出一个结论:狭义相对论的提出缘起,是在当时的物理问题范围内的,可以说是个主流问题,并没有超前性。而所谓超前的部分,是爱因斯坦给出的结论,与大多数人士的认识不能达成统一而造成的“社会现象”。


而在这个理论推演的过程中,爱因斯坦使用的工具,也是当时整个物理学界的基础工具,理论,数学,以及实验数字。在这方面,也没有所谓的“超前”现象。


所以狭义相对论的超前现象,与其说是超前,不如说是当时整个学界的认知后腿问题,换言之,这是一个社会问题。


下面我们来说广义相对论。


如果说狭义相对论的超前问题主要体现在结论的“反常识”,那么广义相对论从结果上来看,简直是打开了新天地:提出了空间压缩,理论上发现了黑洞,预言了引力波等等……


别的不说,就拿引力波来说,还是这几年才被监测到的东西!


如果只看这些结果,确实会觉得匪夷所思。不过我们如果回到爱因斯坦当时的那个场景,会发现爱因斯坦提出广义相对论的缘起非常简单:狭义相对论不够用!


什么意思?狭义相对论那么牛逼,短期内都没有多少人理解,竟然还不够用?


确实如此,狭义相对论虽然解释了光的参照物,以及时间等问题,但是狭义相对论有一个“坑”,或者我们说有一个致命的限制——必须在惯性参照系下才能使用。


为什么说这是一个坑呢?因为真实的宇宙几乎没有惯性参照系呀!


什么是惯性参照系?就是没有外力,系统保持静止或者匀速直线运动才有效,一旦涉及外力加速度就没用了。


放眼整个宇宙,到处都是万有引力,你要是爱因斯坦,你拿着自己的狭义相对论,作何感想?


大概要唱悟空——我要这铁棒(狭义)有何用!


在这种情况下,只要工具允许,智商允许,于情于理,都希望在之前狭义相对论的基础上,让这个理论更加贴近于现实,也就是考虑力(更多情况下是引力)的因素。


换言之,广义相对论的提出缘起也并不超前:如果说狭义相对论的提出缘起是为了解决当时的实际物理问题的话,广义相对论的提出缘起更像是爱因斯坦对自己理论的一次现实化完善。


但是考虑引力这句话说起来容易,即便是以爱因斯坦之才,也用了十年时间才将其整体提出。


基于这个前提,我们就可以一脉相承的理解广义相对论里面“五花八门”的结论了:

等效原理:惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的——在惯性参照系的基础上引入引力的基础


时空关系,以及在时空下质量使得时空弯曲,进而呈现出万有引力的效应等


很明显的,广义相对论完全超出了爱因斯坦原本的预期(假设爱因斯坦最初有预期的话),不仅仅在狭义相对论的基础上引入了引力,并且在引入之后,有更多基于此的结论。


当然,我们并没有办法重现爱因斯坦这十年间的具体过程,所以我们无法得知,这些结论,是爱因斯坦在推演广义相对论过程中的“意外”发现,还是他本身就有打算推演这些问题。


我们能知道的是,由于爱因斯坦希望解决狭义相对论无法适用在有外力的情况下这个缘起,而着手引入引力等外力,但是我们知道,对于理论科学来说,一旦开始推演,其结果并不是在最初就可以预料的。有一些结论(几乎可以肯定的说),就是在推演的过程中发现的。


这意味着,对于爱因斯坦这样的理论物理学家来说,为了使得当前的理论更加完整而进行的推演(缘起不超前),而推演的过程,以及这个过程中可能出现的结果,一定有可能是超出该物理学家的预期的(也就是结果的超前)——这几乎是一个必然的结果。


对于理论物理学家来说,探索性的推演,这样的状态是符合客观规律的。


为什么我要花这么大的篇幅来解释这件事情呢?


因为我不希望神化爱因斯坦。


如同我在一些其他问题里,拒绝黑爱因斯坦,牛顿,达尔文等科学家一样(例如XX晚年信神了,这意味着XXX之类的问题),我也不希望我们从一个否定的极端,变到另一个神秘化的极端。


对于科学家们,我建议我们用科学的眼光来看待他们,以及他们的成果。


他们在自己的时代,致力于用自己的智慧,解决了自己的时代遇到的问题,这是他们成为科学家的客观基础。


同时,他们在解决自己时代遇到的问题的过程中,同时有了跨时代的发现,这种发现源于他们的时代需求,又“幸运”的超出了他们的时代需求,这是他们成为伟大科学家的契机,也是科学跳跃式发展的动力。


我们可以崇拜这些科学家们的智商,眼光,思路以及结论,但不需要将其供奉在有“神秘化”倾向的位置,毕竟,这也不是科学的发展观。


当然,我这样的描述,希望不会给一些读者“我否认爱因斯坦智慧”的误解,恰恰相反,爱因斯坦一直是我非常钦佩和喜欢的一位科学家,小的时候我也因为他的理论中的一些结论幻想过,那是非常美妙的一段时光。


只不过,我们应该正确理解“超前”的意义:正因为他们是时代的,他们才有可能是超前的。


我是江南沐雨,《众神聊斋》作者。


沐雨纵横众神聊斋


不久前读到《万物简史》,一个美国记者,通过采访在世的当事人或者当事人的后代,把世界上顶尖的科学家和科学成果介绍得非常有趣而真实。比如,爱因斯坦提出的理论,其实只是一篇很普通的短稿,有点像我们现在在头条上发稿,主要是想获得点学术满足感,顺便找机会换下职业。爱因斯坦当时还没达成目的,文章发表了,去应聘中学老师,大学老师,人家都没接受。所以,认识事物,还是先去把他做了什么搞个明白,搞明白了,自己也就成长许多。


胡氏口语文


计算机不重要!

你要知道老子在春秋战国就能看透世事,也没有电脑网络呢。

老子说——天地不仁以万物为刍狗

世事都被他看穿了!

老子说——上善若水

做人最大的道理被他看透了!

所以,电脑有没有不重要!重要的是思想纬度!

人类的所有思想理论和基础科学理论以及重大发明,都是在没有电脑的情况下就完成的。有了电脑网络后,只是锦上添花而已,有了电脑网络普及的最近几十年,根本没啥重大创新!



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