如果没有爱因斯坦物理学还能取得同样的进步吗

爱因斯坦对物理学的贡献不言而喻,很难将其全部成就浓缩成一篇文章,但他最广为人知的理论如下:质能方程、狭义相对论和广义相对论。如果没有爱因斯坦,物理学还能取得同样的进步吗?

我们有很多理由相信,尽管爱因斯坦的事业举世无双,但如果没有他,其他人也会在很短的时间内取得爱因斯坦所取得的全部成就。

早在19世纪80年代,电子的发现者约瑟夫·汤姆逊就开始认为,移动的带电粒子的电场和磁场一定携带着能量。他试图量化这种能量,不过这太复杂了。后来,他提出了一组简化的假设,物理学家奥利弗·亥维赛进行了计算,得到的结果是:带电粒子携带的“有效质量”与电场能量(E)除以光速(c)的平方成比例,只不过这个比例常数是4/3,略有偏差。1900年,亨利·庞加莱独立推导出E = mc ,但他不明白其中的含义。

同样,在那个时代,狭义相对论已经呼之欲出了。迈克尔逊-莫雷实验推翻了最流行的以太模型,表明光总是以恒定的速度移动。亨德里克·洛伦兹也已经推导出了洛伦兹变换,该变换将时间和空间结合了起来。在很多方面,这些都是积木,是爱因斯坦把它们拼在一起,发展了狭义相对论的。同样,如果没有爱因斯坦,一些研究电磁和光速的物理学家最终也会得出相同结论,只不过可能时间上要往后移。

广义相对论是其中最重要的。爱因斯坦在掌握狭义相对论后,他开始着手研究引力。虽然爱因斯坦的等效原理是让他发展出了广义相对论,但同时代的其它人也在以不同的路线接近,竞争可谓是相当激烈。

庞加莱将狭义相对论应用到水星的轨道上,发现他可以解释观测到的约20%的“额外”进动。爱因斯坦的前教授赫尔曼·闵科夫斯基提出了时空的概念,将时空编织成一种不可分割的“织物”。西蒙·纽科姆和阿萨夫·霍尔修改了牛顿的万有引力定律来解释水星的进动,暗示了一种新的万有引力理论可以解决这个难题。

也许最令人信服的是,数学家大卫·希尔伯特也在研究非欧几何。在引力的背景下,他提出了与爱因斯坦相同的运动“作用”原理,其中该作用原理可以推出爱因斯坦场方程。虽然希尔伯特并没有完全正确地理解物理含义,但我们今天仍然称其为爱因斯坦-希尔伯特作用。

在爱因斯坦所取得的所有进展中,他都比同时代的人更进一步。不过,其他人已经非常接近于爱因斯坦并进行精确思考,这让我们相信,即使爱因斯坦从未存在过,广义相对论最终也会落入人类知识的领域。

对于科学的发展,我们通常会有这样一种叙述:某个人凭借天才的一击,发现了其他所有人都忽略了的关键进展;如果没有那个人,人类将永远不会获得这些知识。事实上,当我们回顾历史时,我们发现很多人在同一时期都有相似的认识。爱因斯坦是第一个跨越终点线的人,但如果他从来没有来过,其他人也正在冲线。

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