愛因斯坦的學說淪落為背景

愛因斯坦的學說淪落為背景

咱們之前說過狹義相對論，有兩個基本假設即光速不變原理和相對性原理。光速不變原理指：單向光速是個常數在宇宙中是一個定值，與光源的運動無關，與參照系無關，不因參考系的改變而改變。光的傳播按照弦理論所說就是宇宙中弦的振動的擴散，它跟宇宙的能量密度或整體性質有關，這句話不好理解，可以這樣理解，只要宇宙的幾個常量不變光速是不會改變的，宇宙常量變了，也就沒有人類了。

狹義相對性原理：一切勻速直線運動或者靜止的座標系下，物理定律在一切參考系中都具有同樣的數學形式，一切物理定律在所有慣性參考系中都是等價（平權）的，沒有一個慣性系具有優越地位，不存在絕對靜止的參考系。從而否定了牛頓的絕對時空，這個原理是伽利略相對性原理（力學相對性）的一個推廣，在一個參考系中建立起來的物理定律，通過適當的座標變換，可以適用於任何參考系。

相對性原理最初由伽利略提出，當時的適用範圍是經典力學。愛因斯坦將其推廣到包含力學和電磁學的整個經典物理學範圍，凡是對力學方程適用的座標系同樣適用於電動力學和光學裡的定律，但並不包括非慣性參考系；

後來更進一步將引力現象也包含進來這就是廣義相對論的相對性原理。

相對性原理本身就是一個事實，只是由於人們作為動物先天設定的主觀感覺，才一直覺得世界是絕對的，人是動物，為求存，而不是求真，現在我們求真就是為了求存！

請問愛因斯坦是什麼學家？大家都會回答物理學家+科學家，不完全對，他更是思想家，因為愛因斯坦用狹義相對論改變了世人的世界觀，沒過多久他又用廣義相對再一次改變了人類的世界觀，之後數次改變人類世界觀，他開啟了愛因斯坦時代。

愛因斯坦為什麼要想很久的廣義相對論？不僅是我之前說的原因：愛因斯坦的學說出現，它不能完全否證牛頓學說在宏觀領域的匹配和正確，它不能完全否證這一點。因此愛因斯坦的相對論在狹義相對論處理完以後，他必須處理廣義相論，他必須處理引力和時空彎曲相對理論的匹配關係。他把這個問題處理完相對論才成立。

還有一個原因就是我上期節目論時空觀說的：物理學家想搞大統一。愛因斯坦後半生一直在想用一個“更廣義”的理論或者叫“更一般”的理論，用幾個最基本的原則去統一描述看似完全不同的物理現象。

廣義相對論也叫一般相對論，狹義相對論也叫特殊相對論。

愛因斯坦的風格是什麼？敢想敢做敢決斷，只要相信最初的原則是對的，那不管推導出什麼離奇的結果，都得接受，就算當時實驗驗證不了，將來總有人驗證。之前咱們也說了麥克斯韋沒有做實驗但卻預言了電磁波，今日的我們才驗證了引力波和黑洞，可見當時愛因斯坦的理論提出是多麼超前和難以理解，這也說明了基礎理論走的太前了，科學它越來越難以貫通整個廣義邏輯。

大家知道，到愛因斯坦時代，科學界已經驚呼，理論物理學是理論的天堂，實驗的地獄。而到今天，超弦理論、M理論、多重宇宙理論、平行宇宙理論等等科學上的最大創新，居然全都無法做基礎驗證，成為飄散在空中的奇談怪論，它標誌著科學越來越虛無縹緲和玄學化，它標誌著從學術角度思維的高層失穩態達到極致；科學自從伽利略時代開始後就走向了理論科學+實驗科學，這叫“實證科學”，所以理論物理學家很少能等到自己的預言被證實。當然也有波普爾突出的“證偽主義”，關於科學的定義還沒有一個確切的。

愛因斯坦也不是一直都對，他認為他犯的“最大的錯誤”是提出宇宙常數。廣義相對論預測宇宙要麼在膨脹要麼在收縮。在愛因斯坦提出廣義相對論的時候，物理學家們都認為宇宙是靜態的，為了解決這個矛盾，愛因斯坦在廣義相對論的公式裡頭增加了一個宇宙常數（用希臘字母Λ表示），讓宇宙變成靜態。在哈勃發現宇宙在膨脹之後，愛因斯坦懊悔不已，因此把宇宙常數當作他犯的“最大的錯誤”。

在廣義相對論的視角下，宇宙無非就是物質和時空，那麼宇宙中那麼多物質和這個時空的關係是什麼？也就是說這麼多星球在廣闊的時空中，整體上他們會有什麼行為，顯而易見，根據相對論，取決於宇宙中物質密度的大小，引力場方程解出來的宇宙大尺度時空是有三個解的：

• 宇宙中物質比較密集，引力場就比較強，整個大尺度上看時空的形狀就是蜷縮著的，用數學的語言就是曲率是正的，正曲率就像是球面
• 宇宙中物質比較疏散，引力場就比較弱，時空的形狀就是伸展開的，曲率是負的則像個馬鞍
• 宇宙中物質密度不大不小，時空形狀就是在大尺度上平直的，曲率正好等於0

Ω代表密度

在腦海中解一下就發現，如果宇宙的曲率是正的，時空就會不斷收縮，如果曲率是負的或者是0，時空就會不斷膨脹；總的來說引力場方程給出來的可能性都指向一個結論：宇宙不可能是靜態的。

這和當時絕對時空觀是違背的，甚至今天還有人認為太陽系和銀河系在大尺度上是靜止不動的，然後天體繞著太陽公轉和自轉。更別說當時百年前的人咋理解這個時空觀呢？人們覺得可以有生死，任何物質都會死滅，但宇宙怎麼可能不是永恆的？

所以愛因斯坦為了解決這個問題就提出了前面咱們說的那個公式中紅色希臘字母Λ的“宇宙常數”

Λ的存在只是給這個公式提供一個靜態的宇宙解，因為該比例常數很小﹐在銀河系尺度範圍可忽略不計。只在宇宙尺度下，Λ 才可能有意義，所以廣義相對論在任何局部上的計算都還是一樣的結果。

但是十幾年過去了，天文學家哈勃系統性的觀測到遠方的星體，發現星體發出的光譜都出現了紅移，也就是說：遠方的星星都在離我們而去。說明宇宙正在膨脹，宇宙不是靜態的。

後來還證明宇宙不僅膨脹還是加速膨脹。詳細瞭解宇宙加速膨脹點擊文字聽宇宙課堂的節目內容

愛因斯坦後不後悔？後悔！才有了他那句話：宇宙常數是我一生最大的錯誤。

量子力學和統一理論

他還有一個錯誤，廣義相對論帶來宇宙學的革命同時，物理學的另一個地方也出現了不可思議的革命，那就是現在我們熟知的量子力學。

當然你要知道一前提，愛因斯坦是量子力學的開創者，他獲得諾貝爾獎的就是光電效應：

光不是像水流一樣連續流動，而是一小份一小份的“光子”。從此人們第一次知道“量子”這個概念。因為所謂“量子”就是不連續變化的，一小份一小份的東西。

玻爾↑

著名的物理學家玻爾一開始完全不能接受“量子”這個概念，光怎麼能使不連續的流動的呢？確實直觀看來是如此，但是後來他成了量子理論堅定的粉絲和發言者，玻爾進一步提出：

原子中電子的軌道也是“量子”的狀態，電子只能從一個軌道突然跳到另外一個軌道，而不是經過一個所謂的中間地帶。就像是光，不是像水流一樣，而是一份一份的光子。

愛因斯坦啥態度？他不接受，他無法相信有什麼東西能在時空中跳躍，相對論是說時空的尺寸是相對的，是可以隨意彎曲的，但是時空本身的存在得需要尊重，如果你說一個東西本來在這裡，突然出現在那裡，你讓時空情何以堪。

但是量子力學不斷髮展，不斷革命，物理學家發現一個現象，雙縫實驗：一個粒子可以同時穿過兩個縫隙，可以即在這裡，又在那裡——“位置”和“速度”這些最基本的東西都測不準了，不可靠了，因為你無法捕捉到粒子的準確位置更別談去算速度了，這就是量子力學，後面我們會聊。

愛因斯坦啥態度？還是不接受。量子力學接著再告訴他：世界上的事情都似乎完全隨機發生的，物理學再精確，也不可能做出預言，在量子力學的世界裡沒有確定性，只有概率。愛因斯坦憤怒的說：上帝不會擲骰子。這就是著名的自然決定論和非決定論的爭吵。

（第五屆索爾維會議）↑

索爾維會議你沒聽過沒關係，這張照片你一定見過，當時世界上最厲害的物理學家的大集會。這就是第五次索爾維會議。就在這次會議上，愛因斯坦跟支持量子力學的物理學家展開一次又一次的論戰，有時候愛因斯坦白天提出一個思想實驗證明量子力學結論不對，量子力學的代表玻爾就想一晚上，第二天指出愛因斯坦理論的漏洞，但是要說明，他們不是在互相攻擊，那不是咱們這邊的辯論賽。你看看那張照片，愛因斯坦最中間，旁邊都是大佬，還不是一般的大佬。

（第一屆索爾維會議）↑

（玻爾和愛因斯坦）↑

（愛因斯坦和索爾維物理學會議主席朗之萬）↑

（愛因斯坦與普朗克）↑

科學是殘酷的，物理學的歷史最終站在了量子力學的一邊，到1930年代，幾乎所有的主流物理學家都接受量子力學，並且在搞研究，這情景和他們當初接受廣義相對論孤立牛頓學說一樣，愛因斯坦....陷入了孤立。

矛盾出在哪裡？不是出在狹義相對論，狹義相對論和量子力學統一了，叫量子場論。問題出在廣義相對論，他和量子力學的根本矛盾是：廣義相對論認為時空是連續的，只要選定了座標系，位置和速度都是唯一的，都是確定的，廣義相對論認為物理定律完全可以計算一切運動。

量子力學全和他唱反調；什麼連續的，不是，量子運動是隨機的；什麼可以計算，不是，只能計算概率；什麼位置速度是唯一的，不是，粒子的位置都不確定還測速度呢，速度都測不了還談什麼計算一切運動呢？

愛因斯坦陷入危機中，為什麼？因為廣義相對論是大尺度的一個理論，量子力學研究的是微觀世界，井水目前犯不上河水，其他人都覺得這個矛盾先放著，不著急。愛因斯坦不能坐視不管，他的性格也決定他不可能不管，所以他後半生一直希望繼續搞一個大事情！就是得到一個統一理論，像之前相對論告訴世人物理定律都一樣的樣子，告訴世人宏觀和微觀其實是一回事。物理發展史就是不斷告訴人們最基本的都一樣，所謂統一理論。但是可惜，愛因斯坦1955年去世了，他沒有再次給人們帶來驚喜，他只能說剩下的交給後人。

(自左至右：能斯特、愛因斯坦、普朗克、密立根、勞厄)

所以愛因斯坦的學說不僅在廣義相對論和量子力學上有矛盾才使得他面臨這樣的情景，而是因為：這就是科學，縱觀科學史，但凡是科學的東西，最終都被後人證明是“錯”了的東西。

這說明什麼？說明：

人類文明進程就是一個信息增量進程，人類的任何一個思想系統，都是對當時信息增量的整頓。所以人類的任何思想模型都不是真理，我們只是將這些不同信息增量整頓成當前自洽的模型。

牛頓學說的模型是處理他那個時代的信息量，當信息增量繼續增加，加上人類對微觀世界的探索，牛頓學說崩潰，加上牛頓學說本身存在解釋不了的問題，比如：水星進動計算有偏差，比如：牛頓說引力不可能憑空產生，而是有一個像亞里士多德說的“以太”的東西作為介質，這都是無法解釋的，後來咱們知道引力都不存在，更不存在“以太”，所以任何一個思想模型和系統，都是對自己當下的理論系統和信息增量做一個整頓。

科學要具備的就是嚴格的邏輯三洽：自洽；他恰；續恰；也就是說你不僅要能自圓其說，你得和其他的理論體系不矛盾，也就是說你得用你的學說在更精確的層面上去解釋他的學說，比如愛因斯坦學說就是牛頓學說的進一步精確化的表達，而不是對立。

老先生的哲學課裡說：哲學和科學所說的理論思想模型是非常嚴格的，它是精確到不允許隨便調整的，而且它必須具有普解性，也就是它所對應的所有問題，不能出現任何一例反例。如果出現任意反例，你的學說宣告崩潰，而你不能用調整自己學說的方式，處理對象失洽關係的問題，不能用這種方式。所以我們動不動就調整自己的理論模型，然後說它放之四海而皆準。這種做法是非常荒唐的。

所以哲科思想模型是非常嚴格的，到科學精確階段它更為嚴格，這就是科學的可愛之處，它要經過嚴格的檢驗，嚴格的不斷地批判和衝擊。那麼當信息量增大的時候，原有的模型繼續保持精確格局，而且要能夠容納這個信息量，這個模型才會表達為繼續適當或繼續正確，否則它立即崩潰，這叫續洽，所謂“續洽”：就是對新出現的信息增量，你原有的邏輯模型要能夠容納。

比如我前面講牛頓的學說，它在宏觀領域用引力解釋所有問題有效，可它無法處理19世紀以後出現的微觀世界運動這個新的信息量和新現象，它完全無法處理。於是

牛頓學說在微觀世界退為背景，失效，因為在宏觀世界我們人類處於低速度時空，所以仍然夠用，我們繼續學習繼續使用。

（普朗克：學物理前→學物理中→學物理後）↑

愛因斯坦去世之後粒子物理學突飛猛進的發展，

1970年代，物理學家把電磁相互作用，弱相互作用和強相互作用給統一起來了，四大自然力的前三個都統一了，只剩下引力沒有統一。愛因斯坦去世後也無從得知後來的微觀世界得出的這些實驗結果，他的時代由於實驗器材等限制，他說過引力波那麼微弱能否被人類檢測到，甚至懷疑過引力波是否真正存在。

他這個人不像是牛頓那樣的學閥，老大哥式的人物，他很謙虛，1933年定居美國，擔任普林斯頓高等研究院的教授，脫離了物理學研究的主流，把立功的機會都讓給了別人，其實他要是繼續研究，現在很多的成果都得是他的名字署名了，他幹嘛去了？堅持去完成那個不可能完成的大統一任務。

晚年的他其實很孤獨，常常一個人，因為大家都相信宇宙不是精確的產物，而是不確定下的一個偶然結果，其他人也不願意和他聊天，畢竟科學家聊不到一起，總不能談一些浪費時間的話題吧，倒是有一位和他聊的不錯，也是同時，他倆一起上下班成了愛因斯坦的忘年交，名字是哥德爾，就是那個哥德爾不完備性定理的哥德爾，是個挺著名的一個人，他是為數不多的鄙視量子力學的人，所以和愛因斯坦聊的還挺好。

（愛因斯坦的忘年交：哥德爾）↑

愛因斯坦的性格是哪種大家也都看到了，謙虛的這麼一個人，不爭不搶，但是他對大自然充滿了野心，他試圖一個人找到大統一理論，最終發現終極真理。

愛因斯坦說過：上帝是不可捉摸的，但並無惡意。

（愛因斯坦與卓別林）↑

七十六歲的那年，他因為腹主動脈瘤破裂引起了內出血，本來不是啥大事情，做個手術就ok，但是愛因斯坦拒絕了，他說：當我想要離去的時候請讓我離去，一味的延長壽命是毫無意義的，我已經完成了我該做的，現在是該離去的時候了，我要優雅的離去。今天的我們不知道這事情是真假，因為偉人的故事總有後人去層累和杜撰。但是我們可以想象他那樣的人在生命的最後一刻，表現出的是無奈。（後續音頻內容無文字）

人類是挺厲害，但大自然更厲害，人類一步步證明自己厲害的同時也在證明自己的存在是多麼渺小。