时间，空间，能量究竟是什么？这却直捣了物理学的老巢
本文是科学概念扫盲文。希望对你认识物理学中的基本概念有所帮助。不管你学过中学物理还是大学物理，更或许你在从事科学研究。如果要弄清物理学的本质，还是诚恳地希望你能认真读完这篇文章，要搞明白这其中的脉络还是得费一点功夫的。
有些读者对这个问题感兴趣，他们想知道爱因斯坦是怎么发现相对论的，是用实验的方式逐步验证推理出来的，照样直接用数学方式和物理头脑推出来的。爱因斯坦是怎么想到要去建立相对论的呢，有哪些时代靠山和机缘巧合，为什么同时代那么多权威的物理学家都没有办到，他一个结业事情没几年的小毛头是怎么办到的？等等等等…… 这是个好问题，不外若是真的想要把这个搞清楚，那没个万把字肯定是说不清楚的，真的想搞清楚这些靠山和细节，可以去看看《爱因斯坦传》的前部门，我这只做一个简朴的先容。先直接回覆你的问题：
当然是数学方式+物理头脑推出来的，跟实验方式险些没关系。
相对论建立初期整个理论体系就异常完善了，然则压根没人信赖他，为什么？就是由于没有实验验证，直到爱丁顿在1919年观察到了和广义相对论相符的日食征象，爱因斯坦和相对论才最先逐步被人人接受，而爱因斯坦提出狭义相对论的那一年是1905年，足足过去了14年。
跟迈克尔逊-莫雷实验无关 许多人和教科书喜欢把迈克尔逊-莫雷实验看成是相对论建立的靠山，这种看法虽然貌似很“科学”（一个人从不相符常理的实验里最先研究，然后发现新的理论），然则却不相符事实。 爱因斯坦在1954年给达文波特的信里写到：
“我本人是头脑生长中，迈克尔逊-莫雷实验并未引起很大的回响。我甚至不记得，我在写关于这个问题的第一篇论文（1905年狭义相对论的那篇）的时刻，我事实是否知道它。对此的注释是：凭据一样平常的理由，我坚信绝对运动是不存在的，而我所思量的问题仅仅是这种情形若何能够同电动力学的知识协调起来。” 爱因斯坦在许多场所表达过类似的看法。不论是从爱因斯坦的头脑生长和论文内容来看，照样就他的人品和为人来看，他的话都是可信的。 真正一直追着迈克尔逊-莫雷实验穷追猛打，试图解决其他实验所提出的疑难的是洛伦兹这些那时的大牛。而1905年那会儿，爱因斯坦还只是一个名不见经传的瑞士专利局职员，他既没有处在科学的中央，又和科学名人没有任何来往，以是洛伦兹1895年后的论文爱因斯坦是不可能看到的，由于这些论文是用荷兰文在荷兰的杂志上揭晓的，德国皇家图书馆只有一本，而且只允许借阅一天。那时柏林大学普朗克的助手还不得不向洛伦兹要副本，那时职位卑微的爱因斯坦怎么可能能看到？
若何发现狭义相对论 着实在上面爱因斯坦的信里，我们已经看到了爱因斯坦发现狭义相对论的要害：
我坚信绝对运动是不存在的，而我所思量的问题仅仅是这种情形若何能够同电动力学的知识协调起来。 没错，爱因斯坦就是在思量怎么协调电动力学和不存在绝对时空观，
量子力学迫使上帝掷骰子？爱因斯坦：上帝才不带这样玩
牛顿力学建立之前，人们对客观世界的认识还处于半迷信半理性化的困境。在牛顿以前，神学依旧占据着西方的主流价值观，但同时又流行起来了愈来愈多的理性派，他们试图用科学理性的思维来认识世界，而不是一昧的笃信上帝。这典型的代表便是哥白尼，伽利略，开普勒。
说简朴点就是协调牛顿力学和麦克斯韦电磁学的矛盾的时刻发现狭义相对论的。
爱因斯坦大学是时刻基本上没怎么去上课，都在研读麦克斯韦的电磁学理论，究竟美的不像人世产物的麦克斯韦方程组对一个喜欢物理学的人吸引力着实太大了；另外，爱因斯坦从马赫、休谟、庞加莱等人的著作中掌握了批判的头脑，让他可以彻底脱节绝对时空观的约束（那时有若干物理学大牛隐隐约约都发现了狭义相对论的一些器械，洛伦兹甚至都推出洛伦兹变换了，然则就是由于无法脱节绝对时空的约束而与相对论失之交臂）。
追光的少年 有了上面的靠山，爱因斯坦就最先搞事情了。16岁的爱因斯坦就在思索一件事：
若是我追着一束光跑，我会看到什么？若是我的速率到达光速，我会看到什么？我会看到静止不动的光子么？（天才就是天才，看看人家16岁都在想什么~） 在那个时刻，人们已经知道光是一种电磁波了，而麦克斯韦的方程组险些是把电磁学所有隐秘扒得一干二净，而爱因斯坦很快就发现电磁学中的光速理论与绝对时空观发生了矛盾。好比，凭据麦克斯韦的电磁学理论，真空中的光速是一个常数，它只跟真空的介电常数和磁导率有关，跟光源的运动无关，然则在牛顿的绝对时空观里，差别参考系里的速率是要相互加减的，不可能两个参考系里的光速都是常数。 更贫苦的是，在电磁学里，麦克斯韦方程组不具有伽利略稳定性，经由伽利略变换之后无法保持相同的形式，而在洛伦兹变换里可以保持稳定性。
基于上面的情形，爱因斯坦完全甩掉了牛顿的绝对时空观，以为没有绝对的时空，时间空间都是相对的，用洛伦兹变换替换了伽利略变换。然后把真空中光速稳定作为一个基本假设，从这里重新推导了一遍力学，这个新理论就是狭义相对论。
跟实验基本没什么关系，完全是爱因斯坦自己重新的时空观下推出来的。
若何发现广义相对论 知道了爱因斯坦若何发现狭义相对论之后，明白广义相对论的提出就异常简朴了。狭义相对论虽然能解决电磁学和牛顿力学的矛盾，也能顺便注释类似迈克尔逊-莫雷实验，然则有一个苛刻的条件：
狭义相对论只能在惯性参考系中有用。 这句话是什么意思呢？就是说狭义相对论只能针对没有外力，系统保持静止或者匀速直线运动的时刻才有用，一旦涉及到外力加速率就没用了。然则，我们所处的地球里基本没有真正的惯性系，无处不在的地球引力直接让狭义相对论废了。 以是，爱因斯坦要把自己这套头脑发扬光大，就必须把狭义相对论适用的惯性系推广到非惯性系，就必须直面引力问题，这样最后提出来的新理论就是广义相对论。
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