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)賮斫梃b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)生過多次重大突破,，讓我們來回顧并學(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)基本的問題，幾千年來都因?yàn)樗珡?fù)雜而含糊不清,，這就是運(yùn)動(dòng)的問題,。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。

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，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說明慣性運(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：“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)了萬有引力定律。他發(fā)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)三定律和萬有引力定律,，為近代物理學(xué)和力學(xué)奠定了基礎(chǔ),，他的萬有引力定律和哥白尼的日心說奠定了現(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)出萬有引力定律，并以大量的自然事實(shí)來說明萬有引力的存在，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困沒有受過正統(tǒng)教育,，數(shù)學(xué)能力較弱,，所以無法通過數(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。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，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,，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)的任何物體來說,，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,，麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組,，并且通過方程組推導(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),，也就是說無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)通過引入各種假設(shè)來對(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,、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,，但這些公式分別來自不同的假說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，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“約定”光速各向同性來校準(zhǔn)兩地的時(shí)鐘。愛因斯坦看過龐加萊的有關(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，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)怼保J(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，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,，萬有引力是無處不在而且不能屏蔽的，無法讓質(zhì)點(diǎn)不受到萬有引力的作用,。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）萬有引力與狹義相對(duì)論矛盾

另一個(gè)嚴(yán)重困難是萬有引力定律納不進(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,，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)問題,。

經(jīng)過反復(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，在無窮小時(shí)空范圍內(nèi),，人們無法區(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)組成無關(guān)時(shí),，他無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)象的原因是無法用任何物理實(shí)驗(yàn)來區(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、無自轉(zhuǎn)的無窮小參考系(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，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)反過來影響物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。廣義相對(duì)論認(rèn)為,，萬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,，廣義相對(duì)論得到了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的支持，后來又多次觀測(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)致定位精度偏差過大而無法使用,。

7）總結(jié)

在愛因斯坦創(chuàng)建相對(duì)論的過程中，邏輯思維和數(shù)學(xué)考量都起過重要作用,，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^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鋼水的顏色來調(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，就像他后來所說的那樣：“量子化只不過是一個(gè)走投無路的做法”,。

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),，無論照射的光有多么強(qiáng),，都無法打出電子來；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,，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)在過去的一百年里，已經(jīng)為人類帶來了太多革命性的發(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,，再通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)理論的正確性。

概況來說整個(gè)過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,。