馬斯克一系列創(chuàng)新的成功秘訣就在于將嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維應(yīng)用到了商業(yè)領(lǐng)域。追根溯源，我們?cè)賮?lái)借鑒下科學(xué)思維。

物理學(xué)是研究物質(zhì)最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。作為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，物理學(xué)研究大至宇宙小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律，因此成為其他各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。

物理學(xué)歷史上發(fā)生過(guò)多次重大突破，讓我們來(lái)回顧并學(xué)習(xí)借鑒下這些突破背后的科學(xué)思維。

1. 物理學(xué)的真正開端

有一個(gè)基本的問(wèn)題，幾千年來(lái)都因?yàn)樗珡?fù)雜而含糊不清，這就是運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。我們的直接經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為運(yùn)動(dòng)是與推、拉、提等動(dòng)作相連的，要使一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)得越快，就必須要用更大的力來(lái)推它。古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出: 力是物體運(yùn)動(dòng)的原因，必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動(dòng)；沒有力的作用，物體就要停下來(lái)。

在好的偵探故事中，一些最明顯的線索往往引導(dǎo)到錯(cuò)誤的猜疑上去，一些最明顯的直覺的解釋往往也是錯(cuò)的。

1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“兩個(gè)鐵球同時(shí)落地”的著名實(shí)驗(yàn)，從此推翻了亞里士多德“物體下落速度和重量成比例”的學(xué)說(shuō)，糾正了這個(gè)持續(xù)了千年之久的錯(cuò)誤結(jié)論。

伽利略從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出自由落體定律、慣性定律和伽利略相對(duì)性原理等，從而推翻了亞里士多德物理學(xué)的許多臆斷，奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)。

伽利略還在研究方法上為近代物理學(xué)的發(fā)展開辟了道路，是他首先把實(shí)驗(yàn)引進(jìn)物理學(xué)并賦予重要的地位，革除了以往只靠思辨下結(jié)論的惡習(xí)。他同時(shí)也很注意嚴(yán)格的推理和數(shù)學(xué)的運(yùn)用，例如他用消除摩擦的極限情況來(lái)說(shuō)明慣性運(yùn)動(dòng)，推論大石頭和小石塊綁在一起下落應(yīng)具有的速度來(lái)使亞里士多德陷于自相矛盾的困境，從而否定重物比輕物下落快的結(jié)論。這樣的推理就能消除直覺的錯(cuò)誤，從而更深入地理解現(xiàn)象的本質(zhì)。

伽利略的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，不僅在物理學(xué)史上而且在整個(gè)科學(xué)史上都占有極其重要的地位。他以系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和觀察推翻了純屬思辨?zhèn)鹘y(tǒng)的自然觀，糾正了統(tǒng)治歐洲近兩千年的亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，更創(chuàng)立了研究自然科學(xué)的新方法。他開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系的近代科學(xué)，他本人也因此被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。

愛因斯坦和英費(fèi)爾德在《物理學(xué)的進(jìn)化》一書中曾評(píng)論說(shuō)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端”。

2. 牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)理論體系

牛頓在伽利略等人工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究，總結(jié)出了運(yùn)動(dòng)三定律；他在開普勒等人工作的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。他發(fā)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律，為近代物理學(xué)和力學(xué)奠定了基礎(chǔ)，他的萬(wàn)有引力定律和哥白尼的日心說(shuō)奠定了現(xiàn)代天文學(xué)的理論基礎(chǔ)。

1687年牛頓發(fā)表了巨作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，全書共分五部分，第一部分是寫在正文前面的一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的“說(shuō)明”，對(duì)書中用到的一些概念，諸如力、天體、力學(xué)、運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)的量等給出了定義和必要的說(shuō)明；第二部分是“公理或運(yùn)動(dòng)的定律”，詳細(xì)介紹了物體運(yùn)動(dòng)的三大定律：慣性定律、力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的定律、作用和反作用的定律；第三部分為該書的第一卷，討論了物體在無(wú)阻力的自由空間中的運(yùn)動(dòng)；第四部分為該書的第二卷，對(duì)比了不同物體在阻滯介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，得出阻力大小與物體速度的一次及二次方成正比的計(jì)算公式，還討論了氣體的彈性和可壓縮性，以及聲音在空氣中的速度等問(wèn)題；第五部分為該書的第三卷，它根據(jù)前四部分的論證，導(dǎo)出萬(wàn)有引力定律，并以大量的自然事實(shí)來(lái)說(shuō)明萬(wàn)有引力的存在，這些自然事實(shí)包括月球運(yùn)動(dòng)的偏差、海洋潮汐的大小變化、歲差的長(zhǎng)短不一等。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》總結(jié)了近代天體力學(xué)和地面力學(xué)的成就，為經(jīng)典力學(xué)規(guī)定了一套基本概念如質(zhì)量、動(dòng)量、慣性和力等，提出了運(yùn)動(dòng)三大定律和萬(wàn)有引力定律，從而使經(jīng)典力學(xué)成為一個(gè)嚴(yán)密、完整、系統(tǒng)的理論體系。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是人類掌握的第一個(gè)完整的科學(xué)的宇宙論和科學(xué)理論體系，其影響所及遍布經(jīng)典自然科學(xué)的所有領(lǐng)域。該書意味著經(jīng)典力學(xué)的成熟，其中所建立的經(jīng)典力學(xué)的理論體系成為近代科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)尺度。

3. 麥克斯韋統(tǒng)一電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)

1820年，丹麥科學(xué)家奧斯特通過(guò)偶然發(fā)現(xiàn)的磁針偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，提出電流存在磁效應(yīng)。

法拉第經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，提出了電磁感應(yīng)定律，引入了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的概念，指出電和磁周圍都有場(chǎng)的存在，打破了牛頓力學(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。然而，法拉第是一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他小時(shí)候因?yàn)榧彝ジF困沒有受過(guò)正統(tǒng)教育，數(shù)學(xué)能力較弱，所以無(wú)法通過(guò)數(shù)學(xué)公式對(duì)自己的理論進(jìn)行證明，法拉第的著作《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》從頭到尾沒有一個(gè)公式。

1855年，麥克斯韋發(fā)表了一篇論文《論法拉第的力線》，第一次試圖將數(shù)學(xué)形式引入法拉第的力線概念，從而初步建立電與磁之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。這篇文章引起了物理學(xué)界的重視，也得到法拉第本人的贊揚(yáng)。

1862年，麥克斯韋發(fā)表了第二篇論文《論物理學(xué)的力線》。在這篇論文中，他首次提出了“位移電流”和“電磁場(chǎng)”等新概念，對(duì)電磁理論給出了更完整的數(shù)學(xué)表述。

1864年，麥克斯韋發(fā)表了第三篇論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》。這篇論文中不僅給出了麥克斯韋方程組，還首次提出了“電磁波”的概念。麥克斯韋認(rèn)為，變化的電場(chǎng)會(huì)激發(fā)磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又激發(fā)電場(chǎng)。這種變化的電場(chǎng)磁場(chǎng)共同構(gòu)成了電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)以橫波的形式在空間傳播，就是電磁波。麥克斯韋推算出電磁波的傳播速度，發(fā)現(xiàn)和光速非常接近，于是他指出：“光與磁是同一物質(zhì)的兩種屬性，而光是按照電磁定律在電磁場(chǎng)中傳播的電磁擾動(dòng)”。1888年，年輕的德國(guó)物理學(xué)家赫茲，通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)了電磁波的存在，真正驗(yàn)證了麥克斯韋理論的正確性。麥克斯韋的貢獻(xiàn)和地位，得以被全世界承認(rèn)。

麥克斯韋方程組準(zhǔn)確地描繪出電磁場(chǎng)的特性及其相互作用的關(guān)系，這樣他就把混亂紛紜的電、磁、電磁波、光現(xiàn)象歸納成為一種統(tǒng)一完整的學(xué)說(shuō)。在科學(xué)史上，人們普遍認(rèn)為，牛頓把天上和地上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)，是“第一次”大統(tǒng)一，而麥克斯韋把電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，是“第二次”大統(tǒng)一。

4. 愛因斯坦狹義相對(duì)論革命時(shí)空觀

1）牛頓絕對(duì)時(shí)空觀

牛頓在著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出了自己的絕對(duì)時(shí)空觀：時(shí)間和空間是獨(dú)立的，兩者沒有任何聯(lián)系?？臻g是平直且均勻的，而時(shí)間就是一個(gè)絕對(duì)的旁觀者，永遠(yuǎn)的勻速流動(dòng)，不參與這世間的一切。牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀主張物體的運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響到時(shí)間和空間，因此對(duì)以任何狀況運(yùn)動(dòng)的任何物體來(lái)說(shuō)，時(shí)間和空間都是一樣的。

如果在還沒有接觸愛因斯坦的相對(duì)論之前，估計(jì)很多人都會(huì)認(rèn)同這一種觀點(diǎn)，因?yàn)槲覀冊(cè)谌粘Ｉ钪懈惺艿降木褪沁@樣一種情況，這種絕對(duì)的時(shí)空觀是我們普通人特別熟悉的一種生活習(xí)慣，而這種絕對(duì)的時(shí)空觀是憑感覺與常識(shí)得出的生活經(jīng)驗(yàn)，是不可證偽的。

2）光速不變

后來(lái)，麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組，并且通過(guò)方程組推導(dǎo)出了光速方程，從光速方程中我們可以得知光在同一媒介中傳播速度是不變的，是一個(gè)恒定不變的常數(shù)，也就是說(shuō)無(wú)論采用任何一種參考系，光速都保持不變。這一理論的提出對(duì)牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀造成巨大的沖擊。

3）修修補(bǔ)補(bǔ)

不少科學(xué)家既認(rèn)同牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，也認(rèn)同光速不變論，因此他們嘗試在這兩種理論中尋找調(diào)和的方法。以H.洛倫茲為代表的許多物理學(xué)家在牛頓力學(xué)的框架內(nèi)通過(guò)引入各種假設(shè)來(lái)對(duì)牛頓理論進(jìn)行修補(bǔ)，最后引導(dǎo)出了許多新的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合的方程式，如時(shí)間變慢和長(zhǎng)度收縮假說(shuō)、質(zhì)速關(guān)系式和質(zhì)能關(guān)系式，甚至得到了洛倫茲變換，所有這些公式中全都包含了真空光速。如果只為解釋已有的新現(xiàn)象，上述這些公式已經(jīng)足夠，但這些公式分別來(lái)自不同的假說(shuō)或不同的模型而不是共同出自同一個(gè)物理理論。而且，使用牛頓絕對(duì)時(shí)空觀來(lái)對(duì)洛倫茲變換以及所含的真空光速進(jìn)行解釋時(shí)卻遇到了概念上的困難。

愛因斯坦的狹義相對(duì)論建立在兩條公理的基礎(chǔ)之上，即“相對(duì)性原理”和“光速恒定原理”。

4）相對(duì)性原理

“相對(duì)性原理”是說(shuō)物理規(guī)律在所有慣性系中都是相同的。

5）光速恒定原理

“光速恒定原理”分幾層含義。

第一層是約定或者說(shuō)規(guī)定在任一慣性系里，真空中的光速處處各向同性，即處處往返光速相同。利用這一約定，愛因斯坦校準(zhǔn)了靜置于空間各點(diǎn)的時(shí)鐘，使它們“同時(shí)”或“同步”，從而在全空間定義起統(tǒng)一的時(shí)間。在一個(gè)慣性系中定義統(tǒng)一的時(shí)間，是探討相對(duì)論的前提；

第二層是說(shuō)光在同一媒介中的傳播速度不變。光在不同的媒介中傳播速度是不同的，但這并不是說(shuō)光傳播需要它們作為介質(zhì)，僅僅表達(dá)光在他們之中穿過(guò)而已，光的傳播不需要任何介質(zhì)。比如在真空中傳播的速度最快，在空氣、水、玻璃中傳播速度要慢一些。但是光在同一媒介中傳播速度是不變的，這是由電磁學(xué)規(guī)律決定的。

第三層是說(shuō)光速不隨光源的運(yùn)動(dòng)而變化。其實(shí)不光是光這種電磁波，我們普通的水波也是這樣，光速不隨光源的運(yùn)動(dòng)而變化其實(shí)是很多波的通用性質(zhì)。電磁波的傳播是電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互感應(yīng)產(chǎn)生的，所以電磁波傳播的速度其實(shí)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互感應(yīng)產(chǎn)生的速度，所以跟光源的運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系。

第四層是說(shuō)真空中的光速不隨參考系的變化而變化。這是光速不變最難以理解的地方，也是許多困惑和爭(zhēng)議的根源，在這里，光和水波聲波這類機(jī)械波表現(xiàn)出了本質(zhì)的不一樣。就是我們通常所說(shuō)的“光速不變?cè)怼保赫婵罩械墓馑倥c觀測(cè)者相對(duì)于光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。注意，“光速不變?cè)怼睆?qiáng)調(diào)的不是空間各點(diǎn)光速均勻各向同性，而是強(qiáng)調(diào)在所有慣性系中測(cè)量時(shí)，真空中的光速都是同一個(gè)常數(shù)，與這些慣性系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。

5）洛倫茲變換

在“相對(duì)性原理”和“光速不變?cè)怼钡幕A(chǔ)之上，愛因斯坦嚴(yán)格推出了狹義相對(duì)論的核心公式洛倫茲變換，并進(jìn)一步嚴(yán)格推出“同時(shí)”的相對(duì)性、動(dòng)尺收縮、動(dòng)鐘變慢、速度迭加公式、質(zhì)量公式、質(zhì)能關(guān)系等相對(duì)論效應(yīng)，建立起狹義相對(duì)論的完整大廈。

洛倫茲變換是狹義相對(duì)論中最基本的關(guān)系式，反映了時(shí)間和空間是不可分割的，要確定一個(gè)事件，必須同時(shí)使用三個(gè)空間坐標(biāo)和一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)，這四個(gè)坐標(biāo)所組成的空間稱為四維時(shí)空。在低速情況下，被觀察的物質(zhì)的速度也遠(yuǎn)比光速小，洛倫茲變換率約為“1'，退化為近似伽利略變換，牛頓力學(xué)是狹義相對(duì)論的一種特殊形式（洛倫茲變換率約為“1'的情況下），在低速情況下狹義相對(duì)論性力學(xué)近似于牛頓力學(xué)。

6）狹義相對(duì)論

1905年，年僅27歲的愛因斯坦發(fā)表了《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》一文，在光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，以洛倫茲變換為核心建立了一種區(qū)別于牛頓時(shí)空觀的新的平直時(shí)空理論，解決了經(jīng)典力學(xué)的危機(jī)。這就是我們熟知的大名鼎鼎的狹義相對(duì)論。

狹義相對(duì)論把力學(xué)和電磁學(xué)在運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來(lái)，揭示了作為物質(zhì)存在形式的空間和時(shí)間在本質(zhì)上的統(tǒng)一性以及同物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系。狹義相對(duì)論的提出給物理學(xué)帶來(lái)了革命性的變化，更新了人們的世界觀，改變了人類對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“同時(shí)性的相對(duì)性”、“四維時(shí)空”等全新的概念。狹義相對(duì)論的創(chuàng)立不僅引起了物理學(xué)的變革，而且對(duì)現(xiàn)代哲學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。它提出的新的時(shí)空觀、物質(zhì)觀和運(yùn)動(dòng)觀，極大的發(fā)展了科學(xué)的自然觀。

7）總結(jié)

“光速不變?cè)怼焙汀巴瑫r(shí)的相對(duì)性”是與人們的日常生活觀念完全抵觸的，也是與伽利略變換不相容的。相對(duì)論發(fā)表以后很久，人們?nèi)匀挥X得它難懂，主要就是思想跳不出“同時(shí)絕對(duì)性”的錯(cuò)誤觀念。在狹義相對(duì)論提出之前，洛倫茲、龐加萊等不少人都對(duì)相對(duì)論的創(chuàng)建做過(guò)鋪墊工作。

洛倫茲收縮公式和洛倫茲變換公式都出現(xiàn)在愛因斯坦提出相對(duì)論之前。但是，洛倫茲對(duì)上述公式的理解是不正確的，而且洛倫茲認(rèn)為存在以太和絕對(duì)空間，放棄了相對(duì)性原理。

龐加萊在相對(duì)論發(fā)表之前，曾經(jīng)猜測(cè)真空中的光速是一個(gè)常數(shù)，而且可能是極限速度。他還建議通過(guò)“約定”光速各向同性來(lái)校準(zhǔn)兩地的時(shí)鐘。愛因斯坦看過(guò)龐加萊的有關(guān)文章，從他創(chuàng)建相對(duì)論的文章中不難看出龐加萊對(duì)他的影響。不過(guò)，龐加萊沒有認(rèn)識(shí)到“光速不變?cè)怼?。龐加萊雖然堅(jiān)持了相對(duì)性原理，否定絕對(duì)空間的存在，但他仍認(rèn)為存在以太。實(shí)際上，承認(rèn)以太就等于承認(rèn)存在優(yōu)越參考系。所以龐加萊也沒有徹底跳出絕對(duì)時(shí)空觀的框架。

只有愛因斯坦既不承認(rèn)絕對(duì)空間的存在，也不承認(rèn)以太的存在，徹底地堅(jiān)持了相對(duì)性原理。這可能與馬赫對(duì)他的影響有關(guān)。馬赫只是一個(gè)三流的物理學(xué)家，但他敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，說(shuō)牛頓不對(duì)。馬赫認(rèn)為看不見的東西都不應(yīng)該輕易承認(rèn)，所以他否認(rèn)牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，也否認(rèn)以太的存在。馬赫認(rèn)為一切運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的。相對(duì)論發(fā)表后，愛因斯坦高度評(píng)價(jià)馬赫對(duì)自己的影響。真正推開相對(duì)論大門的是愛因斯坦，他提出了“光速不變?cè)怼?，認(rèn)識(shí)到了“同時(shí)的相對(duì)性”，他在放棄絕對(duì)空間的同時(shí)，放棄了以太，最徹底地堅(jiān)持了相對(duì)性原理，也只有他看清了新理論的本質(zhì)，認(rèn)識(shí)到相對(duì)論實(shí)際上是一個(gè)時(shí)空理論。

5. 愛因斯坦廣義相對(duì)論再次革命時(shí)空觀

狹義相對(duì)論存在兩個(gè)大困難：一個(gè)與慣性系的定義有關(guān)，另一個(gè)與萬(wàn)有引力有關(guān)。

1）慣性系定義困難

愛因斯坦的相對(duì)論，建立在“慣性系”的基礎(chǔ)之上，但是，在他的新理論中，慣性系卻無(wú)法定義了。

牛頓的經(jīng)典物理學(xué)不存在這一困難。牛頓理論認(rèn)為，存在一個(gè)絕對(duì)空間，凡是相對(duì)于絕對(duì)空間靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系就是慣性系。愛因斯坦的相對(duì)論不承認(rèn)存在絕對(duì)空間，認(rèn)為所有的運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的。這樣一來(lái)，牛頓理論中定義慣性系的方法就不能用了。

似乎可行的辦法是用牛頓第一定律來(lái)定義慣性系：一個(gè)不受力的質(zhì)點(diǎn)，如果在參考系中保持靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)，這一參考系就可定義為慣性系。然而，萬(wàn)有引力是無(wú)處不在而且不能屏蔽的，無(wú)法讓質(zhì)點(diǎn)不受到萬(wàn)有引力的作用。況且，宇宙間也許還存在其他未知的、肉眼看不見的作用力。

怎么才能判定一個(gè)質(zhì)點(diǎn)不受力呢？最好的方法是預(yù)先設(shè)定一個(gè)慣性系。如果質(zhì)點(diǎn)在其中保持靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)，就可以認(rèn)為它不受力了。然而，用這樣的方式定義“不受力”，要求事先存在“慣性系”，而定義“慣性系”恰恰是我們需要解決的難題。我們陷入了無(wú)法解決的邏輯循環(huán)：定義“慣性系”要用到“不受力”這一概念，定義“不受力”又要用到“慣性系”這一概念。顯然，這樣的循環(huán)定義方式是不能接受的。

愛因斯坦的相對(duì)論建立在對(duì)慣性系的討論之上，現(xiàn)在，慣性系卻無(wú)法定義了。狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)似乎建立在了流沙之上，這可不是一個(gè)小困難。

2）萬(wàn)有引力與狹義相對(duì)論矛盾

另一個(gè)嚴(yán)重困難是萬(wàn)有引力定律納不進(jìn)狹義相對(duì)論的框架。當(dāng)時(shí)只知道兩種力，一種是電磁力，另一種就是萬(wàn)有引力。麥克斯韋的電磁理論與狹義相對(duì)論嚴(yán)格相符，但萬(wàn)有引力定律卻與狹義相對(duì)論矛盾。愛因斯坦作了一些嘗試，試圖把萬(wàn)有引力定律也納入狹義相對(duì)論的框架，但嘗試都失敗了。

對(duì)這兩個(gè)困難的反復(fù)思考，把愛因斯坦引向了廣義相對(duì)論的創(chuàng)建。

3）廣義相對(duì)性原理

在重新定義慣性系的一些努力失敗之后，愛因斯坦很快就產(chǎn)生了新的想法：可不可以不要慣性系呢？在物理學(xué)中之所以要定義慣性系，是為了體現(xiàn)相對(duì)性原理。愛因斯坦認(rèn)為，慣性系本身不是最重要的，最重要的是表述物理規(guī)律的普遍性即相對(duì)性原理。于是他建議取消慣性系的優(yōu)越地位，不去定義慣性系，而是把相對(duì)性原理加以推廣，從慣性系推廣到任意參考系，成為“廣義相對(duì)性原理”：物理規(guī)律在所有參考系中都相同。這樣一來(lái)，就避開了定義慣性系的困難。

4）等效原理

另一方面，非慣性系中存在慣性力，例如轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上的慣性離心力和科里奧利力。如何處理慣性力也是一個(gè)問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)反復(fù)思考后，愛因斯坦不僅認(rèn)識(shí)到引力與慣性力的相似性，而且認(rèn)識(shí)到“引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等”是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的結(jié)論，他決定把這一結(jié)論往前推進(jìn)一步，提出等效原理：慣性場(chǎng)與引力場(chǎng)局域等效。這就是說(shuō)，在無(wú)窮小時(shí)空范圍內(nèi)，人們無(wú)法區(qū)分引力與慣性力。

愛因斯坦關(guān)于電梯的思想實(shí)驗(yàn)，最清楚地表達(dá)了他的等效原理思想。設(shè)想一個(gè)觀測(cè)者處在一個(gè)封閉的電梯內(nèi)，得不到電梯外部的任何信息。當(dāng)他看到電梯內(nèi)的一切物體都在自由下落，下落加速度g與物體的大小及物質(zhì)組成無(wú)關(guān)時(shí)，他無(wú)法斷定自己處在下列兩種情況中的哪一種：(1) 電梯靜止在一個(gè)引力場(chǎng)強(qiáng)為g的星球的表面；(2) 電梯在無(wú)引力場(chǎng)的太空中以加速度g運(yùn)動(dòng)，他因而感受到場(chǎng)強(qiáng)為g的慣性力。造成上述現(xiàn)象的原因是無(wú)法用任何物理實(shí)驗(yàn)來(lái)區(qū)分引力場(chǎng)和慣性場(chǎng)，即等效原理造成了上述不可區(qū)分性。等效原理告訴我們，引力場(chǎng)中一個(gè)自由下落的、無(wú)自轉(zhuǎn)的無(wú)窮小參考系(自轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生科里奧利力)，可以看作慣性系。

等效原理還進(jìn)一步告訴我們，當(dāng)只有引力場(chǎng)與慣性場(chǎng)存在時(shí)，任何質(zhì)點(diǎn)，不論質(zhì)量大小，在時(shí)空中都會(huì)描出同樣的曲線，自由落體實(shí)驗(yàn)已表明了這一點(diǎn)。再如，在真空中斜拋金球、鐵球和木球，只要拋射的初速和傾角相同，這三個(gè)球都將在空間描出相同的軌跡。這就是說(shuō)，質(zhì)點(diǎn)在純引力和慣性力作用下的運(yùn)動(dòng)，與它的質(zhì)量和成分無(wú)關(guān)。于是，愛因斯坦做出了物理思想上的又一個(gè)重大突破，他大膽猜測(cè)，引力效應(yīng)可能是一種幾何效應(yīng)，萬(wàn)有引力不是一般的力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。由于引力起源于質(zhì)量，他猜測(cè)時(shí)空彎曲可能起源于物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)。

5）廣義相對(duì)論

等效原理和廣義相對(duì)性原理，形成了愛因斯坦新理論的物理基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)10年的探索，他最終提出了廣義相對(duì)論。新理論克服了舊理論的兩個(gè)基本困難，用廣義相對(duì)性原理代替了狹義相對(duì)性原理，并且包容了萬(wàn)有引力。愛因斯坦認(rèn)為，新理論是原有相對(duì)論的推廣，因此稱其為廣義相對(duì)論，而把原有的相對(duì)論稱為狹義相對(duì)論。

廣義相對(duì)論實(shí)際上是一個(gè)關(guān)于時(shí)間、空間和引力的理論。狹義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間、空間是一個(gè)整體，稱為四維時(shí)空，能量、動(dòng)量是一個(gè)整體，稱為四維動(dòng)量，但沒有指出時(shí)間、空間與能量、動(dòng)量之間存在關(guān)系。在狹義相對(duì)論中，時(shí)空與物質(zhì)互不影響，四維時(shí)空是平直的。廣義相對(duì)論則進(jìn)一步指出時(shí)空與物質(zhì)之間存在本質(zhì)聯(lián)系，相互影響：能量、動(dòng)量的存在(也就是物質(zhì)的存在)，會(huì)使四維時(shí)空發(fā)生彎曲；彎曲的時(shí)空又會(huì)反過(guò)來(lái)影響物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。廣義相對(duì)論認(rèn)為，萬(wàn)有引力并不是一般的力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。

6）實(shí)驗(yàn)證實(shí)

愛因斯坦在發(fā)表廣義相對(duì)論理論的同時(shí)，提出了3個(gè)可以驗(yàn)證這一理論的實(shí)驗(yàn)：引力紅移、水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)、引力場(chǎng)中光線彎曲，這3個(gè)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了廣義相對(duì)論的正確。

100 年來(lái)，廣義相對(duì)論得到了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的支持，后來(lái)又多次觀測(cè)到其預(yù)言的引力波等證實(shí)，并在天文學(xué)、宇宙學(xué)、黑洞和時(shí)空理論等方面得到了應(yīng)用。在日常生活中廣義相對(duì)論也扮演著重要角色，現(xiàn)代人類已經(jīng)離不開各種全球定位系統(tǒng)，其中時(shí)間基準(zhǔn)原子鐘必須對(duì)速度以及引力造成的時(shí)間變化進(jìn)行修正，否則會(huì)導(dǎo)致定位精度偏差過(guò)大而無(wú)法使用。

7）總結(jié)

在愛因斯坦創(chuàng)建相對(duì)論的過(guò)程中，邏輯思維和數(shù)學(xué)考量都起過(guò)重要作用，但真正起決定作用的是物理思想的創(chuàng)新和飛躍。

6. 量子力學(xué)

1）黑體輻射

1900年4月27日，英國(guó)物理學(xué)家開爾文在《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)烏云》的演講中，說(shuō)出了那句經(jīng)典名言：物理的高樓大廈已經(jīng)建成，后輩物理學(xué)家只需要做一些零碎的修補(bǔ)工作就可以了。只是它美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩。開爾文表達(dá)了對(duì)這兩朵烏云的擔(dān)憂，其中一朵烏云是邁克耳遜-莫雷的實(shí)驗(yàn)，另外一朵烏云就是黑體輻射無(wú)法很好地用公式表示。前者直接促成了狹義相對(duì)論的誕生，而后者掀起了量子力學(xué)的革命。

量子革命的導(dǎo)火線不是對(duì)物質(zhì)的研究，而是輻射問(wèn)題。具體的挑戰(zhàn)是理解黑體（即某種熱的物體）輻射的光譜?？具^(guò)火的人都很熟悉這樣一種現(xiàn)象：熱的物體發(fā)光，越熱發(fā)出的光越明亮。光譜的范圍很廣，當(dāng)溫度升高時(shí)，光譜的峰值從紅線向黃線移動(dòng)，然后又向藍(lán)線移動(dòng)。

在18世紀(jì)，因?yàn)闆]有測(cè)量極高溫的溫度計(jì)，煉鋼工人們常常通過(guò)鋼水的顏色來(lái)調(diào)控溫度。煉鋼爐越偏藍(lán)，溫度越高；越偏紅，則溫度越低。那個(gè)時(shí)候的人們，非常需要得到輻射出的光子頻率和溫度之間的精確關(guān)系。

維恩根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到維恩公式，能夠描述黑體輻射的高頻波段；瑞麗-金斯公式能夠描述黑體輻射的低頻波段。但是沒有一個(gè)公式能夠完全涵蓋黑體輻射全波段，瑞麗-金斯公式在高頻波段甚至輻射能量趨于無(wú)窮，在歷史上被稱為“紫外災(zāi)難”。

2）普朗克公式

普朗克冥思苦想，突然有一天他來(lái)了靈感，使用其高超的數(shù)學(xué)技巧構(gòu)造得到了普朗克公式。這個(gè)公式在高頻區(qū)域趨于維恩公式，在低頻區(qū)域趨于瑞利-金斯公式，普朗克公式與實(shí)驗(yàn)符合得相當(dāng)完美，但是這個(gè)公式背后的物理含義卻是晦澀難明。

1900年12月14日，普朗克在柏林德國(guó)物理學(xué)會(huì)上，提出了普朗克公式的物理含義。即普朗克公式可以通過(guò)引入振子能量量子化的概念導(dǎo)出。普朗克突破了經(jīng)典物理學(xué)中能量是連續(xù)的這一概念，引入了量子（quantum）即能量的最小單位，量子力學(xué)由此誕生，1900年12月14日被公認(rèn)為是量子力學(xué)的“誕生日”。

盡管公式與實(shí)驗(yàn)符合得相當(dāng)完美，但是他當(dāng)時(shí)也充分認(rèn)識(shí)到理論本身是很荒唐的，就像他后來(lái)所說(shuō)的那樣：“量子化只不過(guò)是一個(gè)走投無(wú)路的做法”。

3）光電效應(yīng)

量子理論發(fā)展史下一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)指的是當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)會(huì)從金屬表面打出電子。如果將這塊金屬與導(dǎo)線向連接，那么導(dǎo)線中將會(huì)產(chǎn)生電流。有趣的是，當(dāng)這束光頻率小于某個(gè)頻率時(shí)，無(wú)論照射的光有多么強(qiáng)，都無(wú)法打出電子來(lái)；只有當(dāng)照射光頻率大于這個(gè)頻率時(shí)，才會(huì)有電子溢出。這個(gè)頻率被稱為截止頻率。

光電效應(yīng)很難用經(jīng)典物理的知識(shí)來(lái)解釋。1905年，愛因斯坦發(fā)表了《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》的論文，引入了普朗克所述的“量子”的概念，他毫不猶豫的斷定：如果振子的能量是量子化的，那么產(chǎn)生光的電磁場(chǎng)的能量也應(yīng)該是量子化的，它完美地解釋了光電效應(yīng)，也是因?yàn)閷?duì)光電效應(yīng)的解釋，愛因斯坦獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

4）玻爾原子模型

眾所周知，原子包含正負(fù)兩種電荷的粒子，異號(hào)電荷相互吸引。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，加速運(yùn)動(dòng)的電子繞著原子核旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，勢(shì)必會(huì)輻射出電磁波失去能量，正負(fù)電荷彼此將螺旋式的靠近，最終電子將撞上原子核，原子結(jié)構(gòu)最終將會(huì)瓦解，不能保持穩(wěn)定。

又是一個(gè)新秀玻爾邁出了決定性的一步。1913年，玻爾對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行了修正。他提出了如下假設(shè)：電子在原子中的位置并不是任意的，而是在特定的軌道上運(yùn)行，當(dāng)電子在這些軌道上運(yùn)行時(shí)不輻射電磁波，只有當(dāng)電子從某一軌道躍遷至另一軌道時(shí)，才會(huì)發(fā)射或者吸收電磁波。光的波長(zhǎng)取決于定態(tài)之間的能量差。

結(jié)合已知的定律和這一離奇的假設(shè)，玻爾掃清了原子穩(wěn)定性的問(wèn)題。玻爾的理論充滿了矛盾，但是玻爾的原子模型很好地解釋了巴爾末公式，對(duì)氫光譜作出了滿意的解釋，使量子論取得了初步勝利。

玻爾的原子模型，沒有解釋為什么電子要在特定的軌道上運(yùn)行，以及能量為何是量子化的，沒有從最基本的理論出發(fā)進(jìn)行演繹，缺乏理論支持；且玻爾的模型無(wú)法解釋兩個(gè)以上電子的運(yùn)動(dòng)。但盡管如此，玻爾的模型激發(fā)了無(wú)數(shù)的后輩物理學(xué)家，從量子化的角度研究原子模型，并最終建立了量子力學(xué)理論：

5）量子力學(xué)體系建立

1923年，德布羅意提出了物質(zhì)波假說(shuō)，將波粒二象性運(yùn)用于電子之類的粒子束，把量子論發(fā)展到一個(gè)新的高度。

1925年-1926年薛定諤率先沿著物質(zhì)波概念成功地確立了電子的波動(dòng)方程，為量子理論找到了一個(gè)基本公式，并由此創(chuàng)建了波動(dòng)力學(xué)。

幾乎與薛定諤同時(shí)，海森伯寫出了以“關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子論的重新解釋”為題的論文，創(chuàng)立了解決量子波動(dòng)理論的矩陣方法。

1925年9月，玻恩與另一位物理學(xué)家約丹合作，將海森伯的思想發(fā)展成為系統(tǒng)的矩陣力學(xué)理論。不久，狄拉克改進(jìn)了矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)形式，使其成為一個(gè)概念完整、邏輯自洽的理論體系。

1926年薛定諤證明波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)這兩個(gè)表面上看來(lái)形式與內(nèi)容都不相同的理論，事實(shí)上是完全等價(jià)的。

狄拉克在1926-1927年發(fā)表的兩篇關(guān)于“表象變換理論”的文章，終于將薛定諤、海森堡兩人的理論統(tǒng)一在一起了。由于狄拉克的工作，人們從此不再稱呼海森堡的量子力學(xué)或者薛定諤的量子力學(xué)，而是統(tǒng)統(tǒng)稱作量子力學(xué)。海森堡的矩陣力學(xué)和薛定諤的波動(dòng)力學(xué)以及聯(lián)系兩者的狄拉克的表象變換理論已經(jīng)成為現(xiàn)代量子力學(xué)教科書的基本內(nèi)容。

6）量子力學(xué)的應(yīng)用

量子力學(xué)在過(guò)去的一百年里，已經(jīng)為人類帶來(lái)了太多革命性的發(fā)明創(chuàng)造?，F(xiàn)代科技幾乎沒有不涉及量子理論的，比如激光、半導(dǎo)體、原子能、納米材料和器件、凝聚態(tài)、等離子等都關(guān)鍵地依靠了量子力學(xué)的原理和效應(yīng)。對(duì)半導(dǎo)體的研究導(dǎo)致了二極管和三極管的發(fā)明，為現(xiàn)代的電子工業(yè)鋪平了道路。

7. 回顧與總結(jié)

回顧近現(xiàn)代物理學(xué)的幾次重大突破，可以看到都是不斷打破曾經(jīng)習(xí)以為常的狹隘認(rèn)知的禁錮，勇敢地做出了新的假設(shè)，并從最基礎(chǔ)的核心假設(shè)開始進(jìn)行嚴(yán)密的演繹推理，最終構(gòu)建出整個(gè)理論體系，再通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)理論的正確性。

概況來(lái)說(shuō)整個(gè)過(guò)程也充分反映了科學(xué)思維的精髓：大膽假設(shè)、小心求證、事實(shí)檢驗(yàn)。

注：文中案例相關(guān)信息來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng)公開資料檢索，細(xì)節(jié)部分如有錯(cuò)漏敬請(qǐng)諒解。