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咱們先來看看牛頓都取得些什么成就牛頓從絕對時空觀出發(fā)，秉承了自哥白尼、伽利略、笛卡兒、開普勒以來的優(yōu)秀科學成果，  界定了物理學上的基本概念，總結(jié)出牛頓力學三大基礎(chǔ)定律；發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，把天上和地下的物理統(tǒng)一了起來，構(gòu)建起了經(jīng)典物理的大廈。并且他的動手能力很強，親手發(fā)明制作了反射式望遠鏡，當然還發(fā)明了微積分。  各個成果都夠今天的諾獎級別。在他眾多的科學成果里，最主要的還是力學三大定律和萬有引力定律，這也是經(jīng)典物理體系的核心和基礎(chǔ)。 牛頓物理學承認時間和空間是與物質(zhì)一樣有獨立而實在地存在，這是因為牛頓繼承了伽利略的加速度概念，而加速度只可能是相對于“時間和空間的加速度”，為了使加速度具有實際意義，就必須把空間看作是靜止的，把空間看作是獨立的物質(zhì)，只不過牛頓本人及同時代的人感到把空間本身和空間的運動狀態(tài)說成是具有物理實在意義并不太妥當，但為了使力學具有明確的實在意義，當時沒有別的辦法。由此可見，把時間和空間看作是先驗于物質(zhì)存在的絕對時空觀是多么地深入牛頓的思想中。牛頓物理雖然也繼承了伽利略的相對性原理，但他僅把相對空間和運動看作是絕對空間可動的部分或其量度。他曾以“水桶實驗”來證明絕對空間的存在：  水桶剛開始旋轉(zhuǎn)時，水沒有跟著水桶壁運動，水和桶壁之間相對運動最大，但水桶中的水是平的；而當水和水桶壁一起轉(zhuǎn)（沒有相對運動）時，水面卻是凹的，說明水的圓周運動是絕對運動，因而存在絕對靜止的絕對空間，他的觀點遭到馬赫的批判和愛因斯坦的顛覆。  馬赫認為水沿桶壁上升是離心力作用的結(jié)果，水桶實驗只是證明了水桶壁和水之間的相對運動不能引起顯著的離心力，實際上這離心力是水對大質(zhì)量地球相對轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的，如果讓水“不動”，而讓地球飛快轉(zhuǎn)動，水同樣也能沿水桶壁上升，運動還是相對的，沒有絕對運動。愛因斯坦受到了馬赫思想的啟發(fā)，最后徹底顛覆了絕對時空觀。 牛頓的萬有引力定律認為萬物之間都存在引力，引力的大小與物體之間的距離和質(zhì)量有關(guān)，引力之間的作用是超距的，即不需要時間傳遞，至于引力是什么？怎么作用和傳遞的？以及物體間為什么有引力？牛頓是一概不知。 咱們再來看看愛因斯坦的成就針對牛頓經(jīng)典物理存在的問題，還有麥克斯韋電動力學并不滿足伽利略相對性原理的問題，還有“以太漂移”實驗關(guān)于光速不變的問題，愛因斯坦大膽創(chuàng)新，提出了自己的看法，并最終創(chuàng)立了現(xiàn)代科學理論。  首先他認為相對性原理應該是一個普遍性原理，也應該適用于電磁力，之所以不適用于電磁力，是因為伽利略相對性原理只是個關(guān)于空間的相對性原理，里面缺少了時間的相對性，愛因斯坦放棄了牛頓的絕對時空觀，把這個相對性進行了推廣，然后與光速不變原理結(jié)合，成功地創(chuàng)立了狹義相對論。解決了當時所有的問題，確立了相對時空觀。結(jié)合上面對牛頓的敘述可以看出，相對性原理從伽利略時就一直貫穿其中，相對性也是科學理論的基礎(chǔ)和根本性的問題，對相對性的深刻理解推動著科學的發(fā)展，愛因斯坦創(chuàng)立的廣義相對論更有力地證明了這一點。 狹義相對論只是慣性參考系（沒有引力）下物體運動的科學理論，它并不適用非慣性系的情況，但現(xiàn)實中幾乎都是非慣性系的情況，引力也處處都在，特別是狹義相對論的一些結(jié)論還會產(chǎn)生一些難以解釋的“悖論”，比如說“雙生子佯謬”，  所謂“雙生子佯謬”說的是哥哥乘坐近光速飛船離開地球，按照狹義相對論鐘慢尺縮效應，在地面的弟弟會看到哥哥所在飛船里鐘表的時間過的比地面的鐘慢，但根據(jù)相對性，在飛船的哥哥看來，弟弟所在地面鐘表的時間過的比飛船的鐘慢。兩個結(jié)論產(chǎn)生了矛盾，但根據(jù)狹義相對論，這兩個結(jié)論都是對的，這是怎么回事？狹義相對論解釋不了，直到廣義相對論創(chuàng)立以后，這個問題才得到完美解釋。原來哥哥乘坐近光速飛船離開地球再回到地球，存在加速和減速的過程，按照廣義相對論解釋，哥哥乘坐的飛船變換了好幾個參考系（時空），時間真的膨脹了。哥哥回到地球以后，顯的比弟弟年輕多了。  當然如果哥哥乘坐飛船一直勻速直線飛行不再回地球，那狹義相對論的結(jié)論是對的，哥哥和弟弟互相看到對方的時間變慢，這就是時間同時性的相對性。 廣義相對論不僅能解釋時光穿越旅行的問題，更主要的，它是個關(guān)于引力的理論。我們知道狹義相對論不能解決非慣性系，即有加速度的情況。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)非慣性系的加速度等效于一個慣性系加上引力，他常常用太空中的一個升降機來解釋：  如果在沒有任何引力的太空，對這個升降機向上施加一個拉力，使這個升降機以9.8米/秒2的加速度向上運動，那升降機里的人無法判斷自己是在向上以9.8米/秒2的加速度上升，還是受到地球引力且相對靜止于地球。愛因斯坦認為加速度等效于引力場局域，這就是等效原理。愛因斯坦從等效原理出發(fā)，結(jié)合推廣到非慣性系的相對性原理（廣義協(xié)變，物理定律在任意參考系具有相同的形式），利用黎曼幾何和張量分析等數(shù)學工具，一氣呵成廣義相對論。他認為大質(zhì)量天體彎曲了周圍時空，引力不過是時空彎曲的幾何效應，彎曲的時空就是引力場，宇宙中充滿了天體，因而宇宙時空是彎曲的，平直的時空是不存在的。物體在時空中的運動不過是沿著“測地線”運動。  他對引力的本質(zhì)以及如何“作用”和傳遞作了一次有益的探索，他否定了牛頓關(guān)于引力的“超距作用”，認為引力的傳遞是需要時間的，速度為光速，因為引力與時空有關(guān)。 未來的愛因斯坦應該做什么成就？在1915年發(fā)表廣義相對論以后，至今已百余年，經(jīng)歷了無數(shù)次實踐的檢驗，它的眾多預言被一一證實，廣義相對論已成為人們研究引力以至宇宙的有力武器，是迄今為止最好的引力理論。也是反映最根本最基礎(chǔ)物理規(guī)律的科學理論。廣義相對論就是愛因斯坦在狹義相對論的基礎(chǔ)上把相對性原理再次推廣到所有參考系的革命性成果。愛因斯坦創(chuàng)立兩個相對論的過程，實際上也是把相對性原理的適用范圍從力學推廣到電動力學，然后再推廣到引力的過程。然而相對性原理的推廣到廣義相對論并沒有到盡頭，按愛因斯坦的說法，還有電磁場和引力場統(tǒng)一的“總場”，自然界的四種作用力至今還沒統(tǒng)一，也許在對相對性原理再次推廣的基礎(chǔ)上又有新的突破，取得可以比肩愛因斯坦的成就。 |
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