【原】無(wú)數(shù)天才中，只有愛(ài)因斯坦邁出那一步，扔掉以太，完成時(shí)空革命

這是以前的一篇文章，出來(lái)冒個(gè)泡。

最近的精力幾乎都投入到了“知識(shí)星球”上。星球剛上線(xiàn)時(shí)，我挖下了一個(gè)不小的坑——解讀懷爾斯證明費(fèi)馬大定理的那篇論文。期間陸續(xù)梳理了整個(gè)歷史背景、證明路線(xiàn)，也講解了幾個(gè)關(guān)鍵概念，比如模形式，還對(duì)論文進(jìn)行了逐句拆解（目前僅在星球內(nèi)發(fā)布）。不過(guò)現(xiàn)在進(jìn)度暫時(shí)卡在了復(fù)分析這一塊。倒不是概念有多晦澀，而是這部分內(nèi)容在科普時(shí)很難可視化——很多結(jié)構(gòu)和變換難以用直觀的圖像表達(dá)出來(lái)。

既然是自己挖的坑，含淚也要填完，匍匐前進(jìn)吧！

相對(duì)論，教科書(shū)上寫(xiě)的是愛(ài)因斯坦，但打開(kāi)公式，看到的是洛倫茲變換和閔可夫斯基時(shí)空。就連 E=mc2 的雛形，也在他之前被哈斯諾爾等人以輻射質(zhì)量形式零星涉及過(guò)

這不是一個(gè)人發(fā)現(xiàn)的理論，這是一個(gè)思想完成的躍遷。洛倫茲、龐加萊、麥克斯韋、希爾伯特，他們都鋪了路，但只有愛(ài)因斯坦，完成了最后那一步，把數(shù)學(xué)技巧升格為物理真理。

故事從麥克斯韋開(kāi)始。他發(fā)現(xiàn)光就是電磁波，而且傳播速度可以從兩個(gè)常數(shù)算出。但一個(gè)問(wèn)題馬上冒出來(lái)：光的速度，是相對(duì)于誰(shuí)？

牛頓力學(xué)說(shuō)，沒(méi)有絕對(duì)速度，只有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但麥克斯韋方程看起來(lái)不認(rèn)同。如果一個(gè)帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力要用速度計(jì)算，而這個(gè)速度，似乎必須是絕對(duì)的。

物理界于是造出了“以太”這種看不見(jiàn)摸不著的背景物質(zhì)，設(shè)定光在其中傳播，電磁場(chǎng)在其中變化。這樣，速度有了參照，理論閉合了。

但很快，以太就陷入了麻煩。邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)測(cè)不到地球繞以太運(yùn)動(dòng)的痕跡，速度二階的干涉項(xiàng)為零。最精密的測(cè)量，居然得出了“靜止”這個(gè)荒謬結(jié)論。以太，居然對(duì)任何運(yùn)動(dòng)都“無(wú)感”。

洛倫茲不甘心。他在1892年提出運(yùn)動(dòng)電子理論，引入變換方程修補(bǔ)麥克斯韋方程，解釋觀測(cè)結(jié)果。但他的“變換”只是近似，只適用于低速運(yùn)動(dòng)。而為了讓邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)成立，他不得不引入“尺縮”，也就是運(yùn)動(dòng)方向上物體的物理收縮，解釋干涉條紋不變。

其中，

這些變換今天被稱(chēng)為“洛倫茲變換”，但當(dāng)年，洛倫茲自己并不理解它的真正含義。他認(rèn)為時(shí)鐘走得慢是被以太影響，物體變短是被以太壓縮。他從未質(zhì)疑“以太”這個(gè)前提。

龐加萊走得更遠(yuǎn)。他意識(shí)到這些變換構(gòu)成一個(gè)“群”，也就是說(shuō)，兩次變換疊加后，仍是一個(gè)變換，且可逆。這意味著，不存在優(yōu)先參考系。你認(rèn)為你在動(dòng)，我也可以說(shuō)你在靜，誰(shuí)都沒(méi)有絕對(duì)權(quán)威。

這擊中了以太的根基。如果所有坐標(biāo)系都等價(jià)，那么以太這個(gè)“絕對(duì)靜止”參照物根本就無(wú)法定義。龐加萊因此提出了“相對(duì)性原理”：物理規(guī)律在所有慣性系中都一樣。不只是力學(xué)，包括電磁學(xué)。

但龐加萊仍然保留了以太。他只是承認(rèn)，我們無(wú)法探測(cè)它。

洛倫茲提出的“變換”只是數(shù)學(xué)技巧。龐加萊意識(shí)到了其對(duì)稱(chēng)性和哲學(xué)沖擊。但他們都沒(méi)敢邁出最后一步：把以太扔掉。

這個(gè)最后一步，是愛(ài)因斯坦干的。

1905年，愛(ài)因斯坦在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文中，提出了兩個(gè)公設(shè)：一切慣性系中物理規(guī)律相同；光速在真空中為常數(shù)，不依賴(lài)于光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

這兩個(gè)看似無(wú)法調(diào)和的假設(shè)，被他直接拿來(lái)當(dāng)作理論出發(fā)點(diǎn)。他不再?gòu)碾姶艌?chǎng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，而是從測(cè)量的可操作性出發(fā)：我們測(cè)到什么，我們寫(xiě)什么。

于是，洛倫茲變換，不再是“以太干涉下的形變”，而是時(shí)空結(jié)構(gòu)的幾何對(duì)稱(chēng)性。時(shí)間膨脹、尺縮、同步失效，不再是“看起來(lái)像”，而是“真的如此”。

這不是修修補(bǔ)補(bǔ)的技術(shù)處理，這是一次徹底的觀念改造。時(shí)空，不再是背景舞臺(tái)，而是可以變形、扭曲、受速度影響的結(jié)構(gòu)體。

麥克斯韋方程不需要以太，光速不需要介質(zhì)，變換不需要手工加入的形變量。所有這些混亂，在兩條公設(shè)之下自洽而來(lái)。

有人說(shuō)，龐加萊其實(shí)也想到了這些。確實(shí)，他在1905年也提交了論文，說(shuō)出了類(lèi)似內(nèi)容。但全文發(fā)表于1906年，且內(nèi)容并未明確拋棄以太。

而且，愛(ài)因斯坦在瑞士專(zhuān)利局工作，并無(wú)即時(shí)獲取法國(guó)學(xué)術(shù)雜志的渠道。他的論文完全不引用洛倫茲，也不引用龐加萊。這不是抄襲，這是一次獨(dú)立的突破。

而且更關(guān)鍵的，不是變換方程誰(shuí)先寫(xiě)出，而是誰(shuí)先理解它的含義。龐加萊仍然認(rèn)為真實(shí)的時(shí)間只存在于以太參考系中。愛(ài)因斯坦直接否定這個(gè)“真實(shí)時(shí)間”的存在。

在他這里，時(shí)間和空間的絕對(duì)性是可以被實(shí)驗(yàn)推翻的近似，而不是神圣不可侵犯的公理。

這才是范式轉(zhuǎn)移。

也是為什么，所有人都在研究“以太如何解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果”，只有他反問(wèn)一句：我們?yōu)槭裁匆嘈乓蕴?/span>

愛(ài)因斯坦沒(méi)有發(fā)明一個(gè)新方程，他扔掉了一個(gè)舊信仰。