引力波得諾獎，小議相對論的歷史

原標題：引力波得諾獎，小議相對論的歷史

今年的諾貝爾物理獎給了引力波的發現者美國麻省理工學院教授雷納·韋斯（Rainer Weiss）、加州理工學院教授基普·索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里·巴里什，小編也來蹭下時事的熱度，談談小編所了解的相對論歷史。

相對論是關於時空和引力的基本理論，主要由阿爾伯特·愛因斯坦創立，分為狹義相對論和廣義相對論。相對論的基本假設是相對性原理和光速不變。

我們都知道牛頓發現了萬有引用定律，F=G(m1*m2)/(r*r)，但是對於為什麼會有萬有引用，牛大師因為當時的理論及數學工具的不足，沒能給出正確的解釋，只好默認萬有引力為超距作用（相隔一定距離的兩個物體之間存在著直接、瞬時的相互作用，不需要任何媒質傳遞，也不需要任何傳遞時間）。18世紀末，庫侖提出了描述電荷之間相互作用的庫侖定律F=G(Q1*Q2)/(r*r)，其中Q1和Q2分別代表兩點電荷的電量，r為距離，k為常數，這跟牛頓的萬有引力公式很相似。那麼電荷之間是否也存在類似於萬有引用的超距作用呢？但是後面經過大量的實驗，發現並不是這麼回事。所以法拉第首次提出了場的概念，用來解釋電荷之間的相互作用，當然這個時候的場理論很粗糙。19世紀，麥克斯韋完善了場理論，提出了他的電碰場理論，並且預言電磁波在真空的速度等於光速。

場理論跟超距作用一個最大的區別就是，按場理論，兩個物體之間的相互作用是需要時間的，而超距作用是不需要時間的，所以這兩個理論誰對誰錯，只需要證明是否存在這個時間延遲就可以了。但是因為這個時間實在太短，所以終麥氏一生，他的理論都不怎麼被科學界所接受，因為沒辦法證明。感覺他比愛因斯坦要慘多了，雖然他對電磁學的貢獻不比愛氏在物理學的貢獻小。直到麥氏逝世後九年，這個理論才最終被赫茲通過著名的赫茲實驗證明。

但是麥氏的電碰理論跟當時的經典理論有一個衝突，就是在不同的慣性系中，按經典的理論，場論中的電磁波的傳播速度不會是固定的，如果光在慣性系k中的速度是c,在相對於k系以速度υ運動的慣性系k′,它的速度就不是c,光速傳播方向與υ同向,光的速度是c-υ;反向是c+υ。那到底是什麼原因呢？愛因斯坦開始去尋求答案。

邁克爾遜-莫雷實驗

在這裡，我們還得要談一個曾經的物理學概念「以太」，因為光能在真空中傳播，同時，光又有波動性，而波的傳播需要介質，所以當時的科學界假設了一種媒介「以太」，這種媒介充滿整個宇宙，為適合測試結果，還假設了以太的密度為0，以太與物質的相互作用可以忽略不計。當時的物理學家為了尋找這種物質，做了大量的實驗，其中最著名的是「邁克爾遜-莫雷實驗」（具體實驗內容，小編就不談了），實驗的結果卻得到了一個意料外的結果，以太這種物質根本不存在，或者說光在真空中假設的傳播媒介不存在。

雖然實驗結果證實以太不存在，但是作為當時的科學界顯然還不願意拋棄它，當時的科學家斐茲傑惹（這個人小編好像沒聽過）和洛侖茲提出了收縮假說，即物體在「以太」中運動，在運動方向上，距離會收縮（小編以前都沒聽過這些東西，一直以為最早提出空間收縮概念的是愛氏，看來像小編這種外行人士還是喜歡把功勞歸結到某個人身上），還提出了距離的收縮因子√(1-v*v/(c*c)),這個假說在當時很完美地解釋了為啥邁-莫實驗測不到以太，在此基礎上，洛侖茲還提出了著名的洛侖茲變換。

他們的假設第一次提出了長度收縮的概念，首次放棄了絕對空間的理念，可以說是物理學上一次很重大的突破，它也為後面愛氏相對論的提出打好了很好的基礎，這個後面我會介紹到。這裡面有個有意思的事情，愛氏利用洛茲變換提出了相對論後，洛侖茲說：「早知道我的變換能夠導致如此謊謬的結果，我寧可不知道這些變換」（不知道各位讀者理解這種感覺，臉打得太厲害了）；同時，這個假設還產生了一個意料不到的效果，就是雖然他的目的是為了解釋為啥邁-莫實驗測不到以太，但事實上他卻把以太扔到了垃圾箱，因為按這個假設，以太除了傳播媒介的作用外，其它力學性質都沒有存在的意義。

最終站在前人肩膀上的是阿爾伯特·愛因斯坦，這個繼牛頓之後最偉大的物理學家在前人研究的基礎上，於1905年6月的最後一天，發表了《論動體的電動力學》，提出了狹義相對性原理。這個理論基於兩個假設：（1）相對性原理：所有慣性系統等價，一切物理規律的表現形式在慣性系統中一樣。（2）：光速在所有慣性系統的真空中恆定，與光速和觀察者的運動狀態無關。狹義相對論有個很牛的公式就是e=m*c*c,我記得這是個近似的公式，後面還有一大串，具體是怎麼回事，小編在這裡就不討論了，有興趣的同學可以去看下，也可以在下面說說。

儒勒·昂利·龐加萊

我們還要提到另一個對狹義相對論有特殊貢獻的人儒勒·昂利·龐加萊（1854年4月29日－1912年7月17日，通常稱為昂利·龐加萊，法國最偉大的數學家之一，理論科學家和科學哲學家。龐加萊被公認是19世紀後和20世紀初的領袖數學家，是繼高斯之後對於數學及其應用具有全面知識的最後數學家。），他在1898年就闡述過相對性原理，提出了勻速運動狀態和靜態狀態在機械和電磁實驗中是無法區分的，他還在他的論文《部分運動的，部分動力學》中完善了洛侖茲變換，這篇論文甚至一度讓某些科學家認為狹義相對論是龐加萊的成果（其實我覺得理由還是有的，因為龐氏的很多理論都早於愛氏，我列一下：1897年，龐氏發表《空間的相對性》就有了狹義相對論的影子；1898年，發表《時間的測量》，首次提出了光速不變的假設；1902年他闡明了相對性原理；1904年，命名並完善了「洛侖茲變換」，同時認識到洛侖茲變換構成群，這個結果愛氏在第二年才得出；1905年6月，他先於愛氏發表《論電子動力學》）。不過愛氏開始時否認龐加萊的研究成果，並說自己沒有看過龐加萊的相關論文。那怕到龐加萊在1912年去世，數學界寫信給愛氏說要出個文集紀念龐加萊，愛氏也拖到不了了之。直到1921年，愛因斯坦才在講演中肯定龐加萊對相對論的貢獻。這裡小編並不想貶低愛因斯坦的偉大，小編也沒這個能力，但是愛因斯坦在這裡確實做得不地道，也有可能是科學家對於自己成果的偏執吧。

狹義相對論提出來了，但是愛氏注意到這個理論有一個很不合適的假設，就是它是基於慣性系的，但是慣性繫到底是個什麼東西沒有準確的定義；還有一個狹義相對論沒有解決的問題，就是牛頓的萬有引義定律。為此，我們的愛大師再一次陷入沉沉的思考中。他曾試圖通過數學的方式把萬有引力引入到狹義相對論中，但結果都失敗了，沒辦法，他只能另尋出路。

1907年，愛氏首次提出了等效原理的假設，即引力質量跟慣性質量是一樣的，這個其實早在牛頓的時代就發現了，不知道各位還記得一個公式不F=ma=>m=F/a,這裡的m就是慣性質量（這裡可能對於一般人來說有點難以理解，我們解設在一個真空環境中，一個力F作用於某個物體，從而使某個物理產生加速度a,那麼我們得出這個物體的質量為F/a)，我們平時稱量某個物體的質量就是引力質量，因為它是地球對所稱量物體的引力產生的。這兩種質量通過數學公式轉換，得出的結果是兩者完全一致。這就是愛氏那個著名的「愛因斯坦升降機」。1911年，基於等效原理，愛氏提出了光線經過太陽附近時會發生彎曲，並在以後得到證實。

廣義相對論的空間彎曲

不過這個等效原理卻只能局限於局部慣性系成立，對於非局部慣性系不一定成立。如何把等效原理擴展到非局部慣性系統呢？愛氏發現在歐氏幾何下不能解決問題，他轉而求助於非歐幾何（主要是黎曼幾何，歐氏幾何跟非歐幾何的區別就是對幾個公理進行重新解設，然後推導出一個新的幾何系統，比較有意思，小編當小說看過），他像非歐幾何一樣解設，有物質存在的空間不是平直的（歐氏幾何解設兩條平行直線永不相交，黎曼幾何解設「同一平面上的任何兩直線一定相交」），而是彎曲的，通過這樣的解設，他找到了引力場中的物理量與黎曼幾何中數學量的對應關係，從而他得到了「廣義協變原理」：自然定律在任何參照系中都可以表示為相同的數學形式。

在新的理論框架下，愛氏找到了引力解釋的突破點，但是因為這裡面涉及到很複雜的數學問題，雖然愛氏的數學功底不差，但他也明顯感覺到力有不逮，於是他邀請了他的老同學大數學家格羅斯曼跟他一起研究，1913了，他們兩位聯合發表了著名的論文《廣義相對論與引力綱要》。1915年，建立了重力場廣場，1916年發表了《廣義相對論的基礎》，1917年提出了重力場的普遍形式。11月，用廣義相對論論解釋了水星近日點的運動。至此廣義相對論初步建立。

1919年，英國皇家學會跟天文學會通過對日全食的觀察，首次證明了廣義相對論的準確性。1925年，通過觀察天狼星的伴星證實了廣義相對論預言的恆星光線經過太陽會產生紅移的預言。1971年，海莫勒和凱丁通過對原子鐘在高空跟地面的觀測驗證了廣義相對論的時間理論。2015年8月，美國宣布發現了廣義相對論預言的引力波。

總算寫完了，整整花了五個多小時，如果說狹義相對論，小編還能勉強能夠寫得清楚，後面的廣義相對論，小編真的是硬著頭皮寫的，雖然對於廣義相對論所說的空間蹦床，小編是大略理解的，但是要去理解裡面的細節，小編真的無能為力，所以後面寫得很是粗糙，歡迎各位大神補充。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！