爱因斯坦为啥能在没有实验验证的情况下,提出各种理论?
爱因斯坦为什么可以办到在没有实验验证的情况下,提出各种前沿的物理理论呢?
1915年,爱因斯坦发表论动体的电动力学,通俗的说法叫它狭义相对论,1916年,正式发表广义相对论,这2个理论都是爱因斯坦在纸上完成的。狭义相对论的2个基本出发点是:光速不变原理以及相对性原理,这2个原理并非爱因斯坦独创,可以说,爱因斯坦之所以提出狭义相对论,是因为爱因斯坦站在前人的肩膀上提出来的。
光速不变原理,这个在爱因斯坦之前已经萌芽了。在麦克斯韦提出电磁方程组的时候,根据方程组联立可以解出来光速是一个定值,即光速c=1/√ε0μ0,ε0、μ0分别代表真空介电常数、真空磁导率,这2个都是常数,故光速也定是一个常数。
另外一个启发是迈克尔逊莫雷实验,这个在1887年由莫雷与迈克尔逊俩人做的实验,充分表明了一个道理,那就是在任何的惯性系、在任何方向上,光速都是一个定值,以太这个绝对静止参考系是不存在的。不过,这个实验有趣的一点是,原先他们俩人是为了测量地球在以太中运行的速度,你没看错,他们俩原先与大部分的科学家一样,都认为以太是存在的,可实验的结果与他们认为的刚好相反,反倒证明了以太不存在。
爱因斯坦由这些启发,大胆的假设了光速不变原理,用来作为狭义相对论的基本原理。而相对性原理,最初是由伽利略提出的,后来,爱因斯坦将只适用于经典力学的相对性原理推广到电磁学,从经典的伽利略变换推广成洛伦兹变换,也就是相对性原理。
可以看出,狭义相对论是爱因斯坦在吸取前人的经验基础上提出来的。广义相对论是爱因斯坦个人思想的升华,他创造性地指出引力是质量或能量扭曲时空所产生的几何效应,提出了描述物质如何运动的引力场方程,后来许多人研究引力场方程,并由此衍生出来了诸多新名词:引力波、黑洞、虫洞、引力透镜效应、引力红移等。
爱因斯坦在纸上写出了描述宇宙的理论,提出了各种预言,引力波、黑洞已经被证实,光线经过大引力场时会偏折、引力红移也都被证实,随着时间的流逝,科技不断发展,人类有能力去验证爱因斯坦当时提出的理论,当预言逐一被证实后,才愈发觉爱因斯坦的伟大。并且,爱因斯坦在1916年作出的有关于激光的预言,现在激光不仅被证实了,也广泛地应用于各行各业中。
为什么理论物理学家可以不靠实验就可以做出各种理论呢?
这样的看法并不准确,理论物理学家也离不开实验,当然实验可以是已经被做过的实验,从中获得数据即可,也可以是思想实验,一种在脑海中完成的实验,并不需要在现实中进行。所以,理论物理学家的成就一部分来自于实验,一部分来自于灵感。
1915年,爱因斯坦发表了运动物体的电动力学理论。用通俗的说法,他称其为相对论的特殊理论。 1916年,广义相对论正式发表。两种理论都是由爱因斯坦在纸上完成的。狭义相对论的两个基本出发点是:光速恒定原理和相对论原理。这两个原则并非爱因斯坦独创。可以说,爱因斯坦提出了狭义相对论,因为爱因斯坦站在他的前任之前。
光速恒定的原理,这已经在爱因斯坦面前萌芽。当麦克斯韦提出电磁方程式时,可以根据联立方程式求解光速。也就是说,光速c=1 /√ε0μ0,ε0和μ0分别代表真空电容率和真空渗透率。这两个都是恒定的,因此光速必须恒定。
另一个灵感来自于迈克尔逊·莫雷的实验。 Morey和Michelson在1887年进行的这项实验充分证明了这样一个事实:在任何惯性系统和任何方向上,光速都是固定的。不存在以太的绝对静态参考系。但是,这个实验的有趣之处在于,它们最初是用来测量地球在以太中运动的速度的。你没看错。像大多数科学家一样,他们都相信以太存在并且是实验的结果。与他们的想法相反,它证明了以太不存在。
受这些启发,爱因斯坦大胆地将光速不变的原理作为狭义相对论的基本原理。相对论最初是由伽利略提出的。后来,爱因斯坦将仅适用于经典力学的相对论扩展到了电磁学,并将经典伽利略变换扩展到了洛伦兹变换,这就是相对论。
可以看出,狭义相对论是爱因斯坦根据前人的经验提出的。广义相对论是爱因斯坦个人思想的升华。他创造性地指出,重力是由于质量或能量扭曲时空而产生的几何效应。他提出了描述物质如何运动的引力场方程。后来,许多人研究了引力场方程。引出了许多新术语:引力波,黑洞,虫洞,引力透镜效应和引力红移。
爱因斯坦在纸上写下了描述宇宙的理论,并提出了各种预测。引力波和黑洞已被确认。当光通过大重力场时,它将发生偏转,并且还可以确认重力的红移。随着时间的流逝,科学技术不断发展,人类能够验证爱因斯坦当时提出的理论。在对这些预言进行一一验证之后,他越来越意识到爱因斯坦的伟大。此外,爱因斯坦对1916年制造的激光器的预测不仅得到证实,而且已广泛用于各个行业。