愛因斯坦為什麼能在當時沒有計算機、科技又不怎麼發達的情況下，提出那麼超前的理論？

2019-04-05 04:18:38 佚名

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時勢造英雄這在科學領域也是適用的。
圖：1927年第五屆索爾維會議

愛因斯坦提出的理論與計算機、科技都沒有必要的聯繫，那個時候在物理學領域發揮的空間還是很大的。邁克爾遜莫雷實驗被稱為最成功的“失敗實驗”，不僅僅沒有證明以太的存在，反而證明以太不存在。這就是開爾文曾說的物理學天空上的兩朵烏雲之一，在這朵烏雲上必然會產生新的理論。

愛因斯坦在1905年一連發表了5篇論文，其中之一就是狹義相對論。關於狹義相對論這是時勢所趨，即使沒有愛因斯坦這個理論也可能會很快被其他人提出，當然名字可能就不是這個了。

但是愛因斯坦發現引力沒有被狹義相對論囊括其中，經過十年磨一劍的鑽研，最終在1916年提出了廣義相對論。廣義相對論才是愛因斯坦真正引以為豪的理論，其中的好多預言現象經過幾十年甚至百年才被觀測證明，最新的證明就是引力波的發現。

歸根結底跟科技計算機等沒有必要聯繫，主要是愛因斯坦的開創性思維和創造能力決定，同時再加上所處的時代環境，一批批名垂千古的科學家冒頭兒出。

科學黑洞

愛因斯坦是現代物理學的奠基人，是與牛頓並肩的最偉大物理學家。愛因斯坦屬於理論物理學家，具有超常的思維能力和創造力。

在被稱為物理奇蹟年的1905年，年僅26歲的愛因斯坦發表了多篇劃時代的論文，光量子理論指導了人類在量子理論的進展，提出質能方程，推動原子核能的利用。

其中，愛因斯坦更重要的工作就是他提出的相對論，對千百年來人類時空觀的進行了革命。狹義相對論提出對於高速運動物體，觀測會發現尺縮鐘慢，質量增加，再到光速不變。

隨後十年間，愛因斯坦更是突破自我，進一步創立了廣義相對論，從而把相對論發展到包括引力和加速運動的情況，為宇宙學的研究奠定了發展道路。

愛因斯坦在中學時就開始思考；“如果一個人以光速和光波一起跑，會看到什麼現象”。作為一個追光的好奇少年，他一直為這些問題所激勵。

愛因斯坦的工作當然建立在他堅實的數理基礎之上，在16歲就自學完微積分。後來進入蘇黎世聯邦工業大學師從閔可夫斯基。

作為世上最偉大的科學家，愛因斯坦具有超前的思維和富於想象的探索精神，廣義相對論提出的光在引力場的紅移，直到1960年後才由實驗測定太陽的引力紅移來證實。愛因斯坦預言的引力波，近百年過去，才在最近被探測證實。

量子實驗室

超前理論應該說的是廣義相對論，因為狹義相對論並不算太超前。

其實廣義相對論主要不是靠計算建立的，愛因斯坦是通過非凡的洞察力和想象力發現的。他在提出狹義相對論以後不久，愛因斯坦就發現了狹義相對論的兩個大問題：1、慣性系無法定義。這是狹義相對論兩大基礎之一。2、萬有引力無法納入狹義相對論。在所有人都在驚歎狹義相對論這個偉大發現時，愛因斯坦已經默默在思考狹義相對論這兩個致命問題了。

他首先從封閉箱子下落的思想實驗中（即電梯自由落體實驗）悟出了引力與加速度在無限小空間區域內等價的等效原理，這一年是發表狹義相對論後才兩年的1907年。這時廣義相對論的雛形，通過對等效原理的深入思考，廣義相對論的時空彎曲理論形式已經基本成型了，接下來只是尋找它的數學形式，也就是對其進行定量化。

但彎曲的時空如何進行數學描述？這時愛因斯坦的數學完全不夠用了，他無從入手。他找到自己的好基友在母校任教的數學系同學格羅斯曼，就是那個介紹他去瑞士專利局的好基友。格羅斯曼通過查閱資料終於幫愛因斯坦找到了合適的數學工具——黎曼幾何和張量分析。接下來的幾年愛因斯坦在格羅斯曼的幫助下陸續發表了一些關於彎曲時空數學形式的論文，並且兩人還合作發佈了廣義相對論的第一條引力場方程，當然這條是有問題的。

雖然第一條引力場方程已經足夠成功，愛因斯坦已經能夠通過它計算出水星近日點進動，但是它依然有一個致命傷——需要依賴於參考系的選取。這不符合愛因斯坦的期望，他要構建的是一個適用於所有參考系的時空幾何理論。但這時好基友已經愛莫能助了。最終愛因斯坦是在哥廷根大學被大數學家希爾伯特打通任督二脈後才終於找到了正確的引力場方程。

這個方程實際上只是定義了物質能量與時空曲率之間的數學關係，這是一個以張量形式寫的方程，看起來好像很簡單，但實際上它包含了十個二階非線性偏微分方程組，解起來是極其複雜的。所以早期一般都是通過弱場近似的方式求解的。

因此實際上真正考驗計算能力的是解引力場方程，而不是列方程。即使在計算機性能強大的今天，求解引力場方程往往還是使用近似算法，比如這幾年人盡皆知的引力波，用於比對的引力波波紋數據建模就是通過一種叫後牛頓近似的算法進行計算的。

上圖中間紅色和灰色重疊的波紋線就分別是LIGO第一次探測到的引力波信號波紋和通過後牛頓近似計算建模的波紋比對。

星宇飄零2099

愛因斯坦是搞理論的，有一個誇張的說法是搞理論只需要一張紙、一支筆就夠了。當然現在看是不可以了，現在搞理論甚至可以沒有紙和筆，但是必須要有計算機，要有文獻檢索系統，關鍵還要有一個靈活的頭腦。計算機的主要作用有加快計算過程、計算並模擬複雜過程、形象展示過程；文獻檢索系統可以讓你快速的瞭解你的研究領域最近又有了什麼新的進展，遇到了什麼新的問題。

愛因斯坦說過：提出一個問題比解決一個問題更重要。因為解決問題往往只是數學或實驗上的技能而已，而提出新的問題或新的可能性需要從新角度去看舊問題，需要有創造性的想象力，這標誌著科學的真正進步。如果當時能夠給愛因斯坦一臺計算機，他或許可以把得到相對論的時間由十年變為五年。但是計算機只是一種工具，並不能直接給愛因斯坦提供新的設想和創造力，沒有計算機並不能阻止愛因斯坦發現相對論。

另外，愛因斯坦之前的物理學基本是經典物理學，比起現代物理學要簡單很多。比起現在物理學上海量的運算（互聯網就是粒子物理學家為了傳輸實驗數據發明的），相對論的推導及計算簡直跟喝涼水一樣輕鬆。現在若是在沒有計算機的情況下去發現希格斯粒子，那是天方夜譚。

刁博

牛頓之後無力學!

狹相一一車輪悖論！比如說，大地上跑著一列火車。火車(設為A慣性系)、大地(設為B慣性系)。再假設火車速度為0.5C(C為光速，C＝300000000m/s)。火車每個車輪周長為1.5m。火車上有一個10ns(納秒)鍾，每10ns，該鐘指針轉一圈。如按牛頓力學:無論對於A系（火車）或B系（大地）：每過10ns，鍾(指針)與車輪都同轉一圈，按車輪周長算:火車向前行走1.5m。也就是火車速度都是0.5C，無問題。可是，假如按照狹義相對論，對A系觀察者速度無問題(V=0.5C)，而對B系觀察者:按照相對時間公式計算，對於B系（大地）觀察者：自己時間每過11.547ns，火車上的鐘(指針)與車輪才能轉一圈（對B系觀察者:A系時間慢，A系鍾只能走10ns），由於實際車輪1.5m的周長限制，火車在11.547ns(B系時間)時間內，最多走1.5m。而1.5m除以11.547ns，這速度不等於而是小於0.5C（1.5m/10ns＝0.5C）了，速度對不上帳了！這就等於對狹相公式構成悖論！這是我做的車輪悖論！總結：狹義相對論說，對於B系（大地）觀察者來說，對方（A系）的時間慢了，既A繫上的10納秒鐘(指針)與車輪都轉的慢了，導致對於B系觀察者，火車速度與原假設的0.5C速度對不上賬了。可由此判定:狹義相對論錯誤!

如果換低速問題一樣存在，只是速度差的小而已!

廣相一一高山悖論!

設:在淨高為3000米的高山上，有一臺電風扇，山腳下有一臺發電機，用電纜把它們連接起來。發電機發出的電能，帶動風扇不停的轉動。按照廣相，發電機(低海拔)時間慢，電風扇(高海撥)時間快。發電機發出的電能慢，電風扇消耗的電能快?違背能量守恆了吧?根據電工學: Pt(風扇消耗)+Pt(線路損耗)=Pt(發電機發出電能)，t(時間)必須相等，否則公式不成立!

注:

1、有功電能=Pt，如時間有快慢，電能就有快慢。

2、假設電路工作在串聯諧振狀態:串聯迴路電流相同，輸出電壓=負載電壓(可以把導線當成負載一部分)。P=UI，輸出功率=負載功率。

從現實的角度，思想試驗可以採用以下辦法改進! 換用小一點的風扇。在3000米高山上，修一個恆溫恆壓室，風扇在該室內轉。在山腳下修一個大型恆溫恆壓車間，發電機在該車間裡發電。連接該發電機與電風扇，可用超導電纜(現在已有生產的了)連接。恆溫恆壓室、恆溫恆壓車間、超導電纜所用電能由其他電源提供!

注:

1、電流:是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量。如果高、低處時間不等，豈不違反串聯電路，電流相同的原則。

2、基爾霍夫第一定律，流入某一網絡(或節點)的電流和，等於流出該網絡(或節點)的電流和!

3、電風扇也可換為發熱純電阻或電燈。

香菸飄渺35

人類的大腦從來就不會顧忌在什麼時代需要創造奇蹟。事實上人類也就沒有因為缺少奇蹟而孤獨過，這要得益於看似“脆弱”的大腦。

在愛因斯坦之前有被蘋果砸到腦袋上的牛頓。在那之前有能夠精確計算太陽曆的瑪雅人，蘇美爾人和迄今為止寫下了自從成書起就沒幾個人能看得懂的易經（論忽悠人，不得不佩服我們的老祖宗）。

不論從古至今，在地球上還是在地球之外。人類都不缺少展示智慧的勇氣，但人類成功不是靠的運氣。愛因斯坦說過，想象力比知識更重要。而想象力的引爆點是好奇心，這才是人類的進步的原動力。

火顯然能帶來災害，但好奇心驅使人們第一次品嚐燒焦的動物味道那~比生肉口感更好，也不會再拉肚子了。

當人類第1次在煙火中找尋節日的樂趣時~殊不知已經進入了熱兵器時代。

當出現第1個關於月球的傳說時~便註定了幾千年後的某一天人類會真正的踏上這顆古老的星球。

人類作為一個年輕的種族。能憑藉卓越的大腦，留下的奇蹟已經夠多了。但是我們感到好奇的東西還有很多，我們對光速好奇，所以研究蟲洞的可能。我們對死亡好奇，所以我們要攻克疾病的障礙。我們好奇的用哲學去探尋我們的靈魂，所以人類能夠進入更高階的進化。

決定人類創造奇蹟的，不是某一種先進的器械或者是計算工具，而是由好奇心驅使的大腦。讓人類立於不敗之地，永無止境的創造全新的在我。

星光之霖

在科學界有句調侃的話是這麼說的“理論物理學家廢紙，實驗物理學家費電”，而愛因斯坦就屬於理論物理學家，高性能的科學設備對他來說是沒用的

物理學的突破是靠理論和實驗互相配合才產生的，其實理論物理學家和實驗物理學家之間沒有什麼明顯的分界線，最多就是側重點稍微不同而已，比如愛因斯坦就喜歡一支筆一個本在哪裡鼓搗理論，而法拉第就喜歡自己動手做實驗。

愛因斯坦理論的超前性是無可置疑的，1916年發表的廣義相對論就預測了黑洞和引力波以及引力透鏡的存在，然而人類直到幾十年後才在宇宙中真正發現了它們，目前為止我們對宇宙的瞭解還沒有突破愛因斯坦的理論。

其實廣義相對論才是愛因斯坦真正超前的理論，因為它完全是靠愛因斯坦個人天才般的洞察力和想象力才誕生的。而狹義相對論思想在同期已經有一些人具備了，愛因斯坦不過是發表的早而已。

科學理論是科學家對物質世界的一種預測和推演，如果理論和後續的觀察結果相匹配，那麼這個理論就是正確的，反之如果理論與實際觀測不符，那麼就說明這個理論還有待完善。由此可見科學理論的誕生更多靠的是科學家本人的想象力和洞察力。

宇宙探索未解之迷

看到這個問題我先愣了一下，我沒有奇怪題目中“科技不發達，沒有計算機”這件事情，我奇怪的是“超前”二字。

因為理論上來說，任何一個物理學家，所研究的東西，或者提出的理論都不可能過於“超前”。

當然，這可能是我與題主對於超前的理解不一樣。

我試圖理解題主的超前的意思，大概是這麼兩類方向吧：第一，該理論提出之後當時的人們都不理解，或者不認同，直到很久之後才認同。第二，該理論提出之後，預言了很多東西，在隨後很久之後才一個個被證明。

如果從這個意義上來說，確實挺超前的。

而我前面說的，任何一個物理學家，所研究的東西，或者提出的理論都不可能過於“超前”的意思是：任何一個物理學家，在研究過程中使用的工具，尤其是像愛因斯坦這樣的理論科學家，使用的數學工具，以及用到的物理定理，都是當時整個科學界通用的工具，同樣，以歷史上的科學史來說，任何一個時代的物理學家研究的問題，也都是當時學界遇到的問題——這意味著兩件事：第一，這個物理學家不可能跳過當前還沒有研究清楚的物理問題，去“超前”的研究下一個物理問題（畢竟有先後關係）；第二，這個物理學家在研究這個物理問題的時候，也不可能在新的數學工具沒有發明之前，就使用這個工具。（當然，牛叉如牛頓，研究的過程中竟然發明了微積分，那就是特殊情況了，不過這也沒有推翻前面的“跳過當前的工具進行超前研究”的說法。）

我這麼說，看起來似乎有些較真兒，但還真不是，而是我想說出愛因斯坦的“超前理論”的本質：緣起不超前，結論超前。

首先，我們按部就班的說明一下物理學家的簡單分類：理論物理學家和實驗物理學家。當然，有八卦說這兩撥人一段時間互相看不起對方，這種事情咱們就不聊了。簡單來說，理論物理學家是利用當前的理論，實驗結果以及數學工具（這是科學體系的公共必備工具）來解決，解釋某些新現象，或者某些舊有理論無法解釋的現象。而實驗物理學家，主要是通過現實的實驗，發現新的現象，或者與舊有理論不符合的現象。

愛因斯坦屬於理論物理學家，對於他來說，真正有用的其實是實驗數據，當前理論體系，數學工具，而這三個東西，計算機能幫的忙大概就是愛因斯坦理論推演過程中有些煩了，打打dota換換腦子，或者看看自己珍藏的小電影擼一把睡覺，明天繼續推演。（天哪我都在說些什麼！）

然後我們說一說愛因斯坦主要研究的幾個所謂“超前”的理論：

愛因斯坦得諾貝爾獎是因為光電效應，不過關於這個部分，似乎並沒有認為有什麼超前的。

而主要被認為是超前的，是狹義相對論和廣義相對論。尤其是廣義相對論。

據說愛因斯坦說過，狹義相對論如果不是他提出，五年內就會有人提出，而廣義相對論如果不是他提出，未來五十年都不會有人提出。（據說而已，我沒有考證）

我們按照順序，先看狹義相對論的提出緣起：

簡單來說，狹義相對論主要是針對當時物理界遇到的大難題：光的速度不隨參照系變化而變化——在光之前的所有物質，都符合參照系速度疊加原理，也就是說，一個物體的速度，與它的慣性參照系（伽利略參照系）的速度有關。但是光非常不一樣，不論是理論計算（麥克斯韋），還是實際測試，人們都發現光的速度與參照系的速度無關，都是恆定的速度。

這是當時物理界的“公開問題”，而愛因斯坦的狹義相對論的緣起，也是為了解決/解釋這個問題的——這就是緣起。

但是狹義相對論的理論結果卻很“反常識”，其基於光速不變的客觀事實，得出了不同速度下的時間不同的結論。這個結論顯然超出當時物理學界的認識，以至於“諾獎”當時都沒有因為這個理論而給他頒發獎。

當然，在隨後的時候，狹義相對論被實驗證實了，在隨後的日子裡，人們才逐漸接受這個當時不被接受的理論。

從上面的簡要過程，我們可以得出一個結論：狹義相對論的提出緣起，是在當時的物理問題範圍內的，可以說是個主流問題，並沒有超前性。而所謂超前的部分，是愛因斯坦給出的結論，與大多數人士的認識不能達成統一而造成的“社會現象”。

而在這個理論推演的過程中，愛因斯坦使用的工具，也是當時整個物理學界的基礎工具，理論，數學，以及實驗數字。在這方面，也沒有所謂的“超前”現象。

所以狹義相對論的超前現象，與其說是超前，不如說是當時整個學界的認知後腿問題，換言之，這是一個社會問題。

下面我們來說廣義相對論。

如果說狹義相對論的超前問題主要體現在結論的“反常識”，那麼廣義相對論從結果上來看，簡直是打開了新天地：提出了空間壓縮，理論上發現了黑洞，預言了引力波等等……

別的不說，就拿引力波來說，還是這幾年才被監測到的東西！

如果只看這些結果，確實會覺得匪夷所思。不過我們如果回到愛因斯坦當時的那個場景，會發現愛因斯坦提出廣義相對論的緣起非常簡單：狹義相對論不夠用！

什麼意思？狹義相對論那麼牛逼，短期內都沒有多少人理解，竟然還不夠用？

確實如此，狹義相對論雖然解釋了光的參照物，以及時間等問題，但是狹義相對論有一個“坑”，或者我們說有一個致命的限制——必須在慣性參照系下才能使用。

為什麼說這是一個坑呢？因為真實的宇宙幾乎沒有慣性參照系呀！

什麼是慣性參照系？就是沒有外力，系統保持靜止或者勻速直線運動才有效，一旦涉及外力加速度就沒用了。

放眼整個宇宙，到處都是萬有引力，你要是愛因斯坦，你拿著自己的狹義相對論，作何感想？

大概要唱悟空——我要這鐵棒（狹義）有何用！

在這種情況下，只要工具允許，智商允許，於情於理，都希望在之前狹義相對論的基礎上，讓這個理論更加貼近於現實，也就是考慮力（更多情況下是引力）的因素。

換言之，廣義相對論的提出緣起也並不超前：如果說狹義相對論的提出緣起是為了解決當時的實際物理問題的話，廣義相對論的提出緣起更像是愛因斯坦對自己理論的一次現實化完善。

但是考慮引力這句話說起來容易，即便是以愛因斯坦之才，也用了十年時間才將其整體提出。

基於這個前提，我們就可以一脈相承的理解廣義相對論裡面“五花八門”的結論了：

等效原理：慣性力場與引力場的動力學效應是局部不可分辨的——在慣性參照系的基礎上引入引力的基礎

時空關係，以及在時空下質量使得時空彎曲，進而呈現出萬有引力的效應等

很明顯的，廣義相對論完全超出了愛因斯坦原本的預期（假設愛因斯坦最初有預期的話），不僅僅在狹義相對論的基礎上引入了引力，並且在引入之後，有更多基於此的結論。

當然，我們並沒有辦法重現愛因斯坦這十年間的具體過程，所以我們無法得知，這些結論，是愛因斯坦在推演廣義相對論過程中的“意外”發現，還是他本身就有打算推演這些問題。

我們能知道的是，由於愛因斯坦希望解決狹義相對論無法適用在有外力的情況下這個緣起，而著手引入引力等外力，但是我們知道，對於理論科學來說，一旦開始推演，其結果並不是在最初就可以預料的。有一些結論（幾乎可以肯定的說），就是在推演的過程中發現的。

這意味著，對於愛因斯坦這樣的理論物理學家來說，為了使得當前的理論更加完整而進行的推演（緣起不超前），而推演的過程，以及這個過程中可能出現的結果，一定有可能是超出該物理學家的預期的（也就是結果的超前）——這幾乎是一個必然的結果。

對於理論物理學家來說，探索性的推演，這樣的狀態是符合客觀規律的。

為什麼我要花這麼大的篇幅來解釋這件事情呢？

因為我不希望神化愛因斯坦。

如同我在一些其他問題裡，拒絕黑愛因斯坦，牛頓，達爾文等科學家一樣（例如XX晚年信神了，這意味著XXX之類的問題），我也不希望我們從一個否定的極端，變到另一個神秘化的極端。

對於科學家們，我建議我們用科學的眼光來看待他們，以及他們的成果。

他們在自己的時代，致力於用自己的智慧，解決了自己的時代遇到的問題，這是他們成為科學家的客觀基礎。

同時，他們在解決自己時代遇到的問題的過程中，同時有了跨時代的發現，這種發現源於他們的時代需求，又“幸運”的超出了他們的時代需求，這是他們成為偉大科學家的契機，也是科學跳躍式發展的動力。

我們可以崇拜這些科學家們的智商，眼光，思路以及結論，但不需要將其供奉在有“神秘化”傾向的位置，畢竟，這也不是科學的發展觀。

當然，我這樣的描述，希望不會給一些讀者“我否認愛因斯坦智慧”的誤解，恰恰相反，愛因斯坦一直是我非常欽佩和喜歡的一位科學家，小的時候我也因為他的理論中的一些結論幻想過，那是非常美妙的一段時光。

只不過，我們應該正確理解“超前”的意義：正因為他們是時代的，他們才有可能是超前的。

我是江南沐雨，《眾神聊齋》作者。

沐雨縱橫眾神聊齋

不久前讀到《萬物簡史》，一個美國記者，通過採訪在世的當事人或者當事人的後代，把世界上頂尖的科學家和科學成果介紹得非常有趣而真實。比如，愛因斯坦提出的理論，其實只是一篇很普通的短稿，有點像我們現在在頭條上發稿，主要是想獲得點學術滿足感，順便找機會換下職業。愛因斯坦當時還沒達成目的，文章發表了，去應聘中學老師，大學老師，人家都沒接受。所以，認識事物，還是先去把他做了什麼搞個明白，搞明白了，自己也就成長許多。