真正的高手，相信逻辑而不是现实

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封面设计&责编| 子墨 第4421篇深度好文：3814 字 | 7 分钟阅读

精华笔记·思维方式

本文优质度：★★★★★+ 口感：车厘子

笔记君邀您阅读前，先思考：

• 真的存在绝对时间吗？

• 对于矛盾问题，如何有效解决？

• 你如何看待爱因斯坦的相对论？

到底要不要讲相对论？这件事让我有些犹豫，它太烧脑、太难了。

想了很久，我还是决定要讲——相对论是人类运用哲科思维，所能达到的最极致状态。宇宙有整整137亿年历史，而爱因斯坦用一个方程式解释了它。

一、绝对时间真的存在吗？

有这样一个故事。19世纪的最后一天，欧洲顶级科学家开了一个大会，当时最受尊敬的开尔文勋爵说，“物理学的大厦已经落成，只剩下一些装饰工作。”
言犹在耳，仅仅五年以后，26岁的爱因斯坦发表了5篇颠覆性的论文，开辟了如今的整个时代。那一年，也被称为爱因斯坦奇迹年。
1.打破隐含假设：牛顿和麦克斯韦矛盾了
首先，如果我们想理解伟大的科学家，就必须理解一个英文词汇， Unification，合一。
对于顶级科学家而言，打破二元分立，找到一个更加底层的理论，是一生当中最荣耀的时刻。
爱因斯坦之前有两次大统一，第一次是牛顿用万有引力这样一个方程式，同时解释了天上和地上的运动定律。第二次是麦克斯韦提出一组极其简单的方程统一计算电和磁，并且指出光也是一种电磁波，给了光速一个常数。
爱因斯坦的所有工作，都起始于他发现，在解释光速这个现象的时候，牛顿和麦克斯韦出现了重大的逻辑失洽。
无数科学家看到这里面的悖论，但视之不见——牛顿和麦克斯韦各管一块，为什么非要把它合在一起？
但是，这个矛盾突让爱因斯坦精神紧张、坐卧不安，他一定要解决这个问题。
2.重建基石假设：光速不变
破界创新的第二步，是重建基石假设。狭义相对论建立在两条基石假设之上，充分运用了公理化思维：
① 第一条基石假设：对称性定律，这是物理学中定律的定律
爱因斯坦把伽利略的对称性定律拓展，提出相对性原理——所有自然定律，包括引力、电力、磁、光在一切匀速参照系当中，都保持不变。
一切自然定律，包括引力、电力、磁、光在内，在一切匀速参考系下都保持不变，这一条叫相对性原理。
② 第二条假设：光速不变原理
光速不变，在任何匀速参考系下都不变——这件事爱因斯坦想了10年。

光速恒定假设之于爱因斯坦，犹如惯性假设之于牛顿，是人类精神最伟大的成就。
因为在牛顿经典力学里边，速度是时间的函数，不管运动速度快慢，时间都是不变的。
但爱因斯坦说，如果光速是绝对的参考系，那光速就不能用时间来衡量。反过来说，时间应该由光速来计算。
运动速度越快，时间就越慢——这个说法在现实世界当中，我们是不是无论如何都不会接受？
我们大家的时间观，是牛顿的绝对时间观。我们相信时间就像河流一样在流动着，是运动的参考系，所以称它为绝对时间。
但是，如果逻辑和现实出现悖论，光速和时间之间发生悖论的时候，你相信光速是绝对的，还是相信时间是绝对的？
这个问题摆在26岁的爱因斯坦面前，他说，“如果逻辑和现实矛盾，那就改变现实。”
他从麦克斯韦方程和相对性原理出发，得出光速是绝对的。如果光速是绝对的，时间就是相对的。

然后，在没有任何证据的情况下，爱因斯坦悍然宣布，时间至高的绝对地位被下移了，光速才是运动、时间等其他所有东西的绝对参考系。
这是爱因斯坦狭义相对论最重要的内涵。
一个典型的例子是，在电影《星际穿越》中，主人公从地球出发之前，女儿十来岁，但是等他再回来时，他依旧年轻，女儿却已经垂垂老矣。

二、引力存在吗？

狭义相对论没有彻底推翻牛顿力学，这个任务留给了广义相对论。
我们知道，牛顿运动定律有两个逻辑奇点，惯性和引力。但是，惯性和引力之间是什么关系？引力到底是什么？这留下了很多谜团。
我们同样用破界创新三步骤来看。
1.打破基石假设：引力存在吗？
引力是否真的存在——这个问题是不是听上去很无理？牛顿整个力学就是关于引力的力学，爱因斯坦居然问引力是否存在，这非常霸道。
而爱因斯坦说，不对。根据牛顿力学，引力是远距离的、瞬时超光速的一种作用力。可是根据狭义相对论，任何物体的运动速度都不能超过光速。
很显然，这里出现了逻辑失洽。
2.重构基石假设：等效原理和最小作用量原理
广义相对论建立在两条基石假设和两条基本原理之上。

定律的定律——对称性；

等效原理。

牛顿力学的两大奇点：一个是惯性，一个是引力。
回忆两个基本的物理学定律：地球对我们的引力，我们用G=mg这个方程。加速中的惯性力，用F=ma这个方程。
引力和惯性力是两种力，都跟质量有关系，为什么一个质量产生了两种力？
为了回答这个问题，爱因斯坦做了一个思想实验。他回忆说：

1907年的某一天，我正坐在伯尔尼专利局的办公椅上的时候，一个思想突然出现在我的脑海当中：如果一个人自由下落，那么他将感受不到自己的重量。

这句话到了爱因斯坦脑子中，他吓了一大跳，就此得出一个伟大的等效原理：在上面的两个方程里，引力质量和惯性质量等效，所以引力和惯性效应是一回事。
继续做思想实验。你想象一个火箭以加速度往空中去飞，一束光射向这个火箭舱，从一侧进入，又到达了另一侧。
在这个过程中，火箭在往前运动，所以光在经过火箭舱的时候，发生了什么？偏折。
所以，光在加速参考系当中的运动路径是弯的。 图片来源于pexels.com
如果引力场和加速场等效，光经过加速参考系时会发生弯曲，那么光经过引力场的时候，也会发生弯曲。
举个例子，太阳是引力场，光经过太阳的时候，如果引力场和加速参考系等效，那么经过太阳的时候，光会发生弯曲。
爱因斯坦说，这是我一生当中最幸福的思想——光经过太阳的时候会发生弯曲。
③ 最小作用量原理
接着，他又引入物理学中另外一个规律的规律，最小作用量原理。根据最小作用量原理，光在两点之间运动，要走所需时间最少的路径。
又根据等效原理，光在引力的影响之下发生弯曲，那么说明在引力场当中，两点之间最短的距离是曲线。
这里又出现了一个悖论，根据现实，两点之间直线最短。而根据爱因斯坦的逻辑推演，两点之间曲线最短。
逻辑与现实发生矛盾，怎么办？
爱因斯坦说，纯逻辑没问题。如果逻辑和现实发生矛盾，那就改变现实。
两点之间直线最短，背后的隐含假设是，空间是平直的，才直线最短。如果事实是两点之间曲线最短，那只能打破这个隐含假设，推出一个新的关于时空的假设出来——时空是弯曲的。
你能想象一条弯的直线吗？没问题吧。一个弯的平面呢？是不是把一张纸折一下，也没问题？但如果想象自己生活的三维空间，是弯曲的呢？
到这里为止，爱因斯坦都在进行哲学思考。如果变成科学，需要用数学公式来表达这个推论。
于是接下来爱因斯坦遇到一个新困难，他缺数学表达公式。如果表达平直空间的数学是欧式几何，现在他需要表达一种弯曲的空间，而且是一个四维的时空。爱因斯坦本人并不了解数学，他去找他数学家朋友，说我需要一个弯曲空间的几何，有没有？
他的朋友翻箱倒柜，找到了一两百年以前，一个叫黎曼的人。
黎曼几何是一种非欧几何，非平面几何，恰恰可以表达时空弯曲，而且可以表达任意维度的时空。但当时他写出这个几何的时候，大家并不认为弯曲空间存在，所以他的公式就被锁在抽屉尘封起来，落满了灰尘。
直到后来，黎曼几何被爱因斯坦发现，他得出了这个方程： 图片来源于unsplash.com
3.推导第一性原理：引力不存在
接下来，终极问题来了，牛顿力学当中的引力究竟是什么？
根据牛顿力学，引力是真实存在的。爱因斯坦推出上述方程之后，则大胆得出一个推论，地球之所以绕着太阳运行，不是因为太阳对地球的引力，仅仅是遵循最小作用量原理，两点之间曲线最短，太阳让自己周围的时空场弯了，地球恰好处于这个时空场当中，要按照弯的路径去走而已。
所以万有引力根本不是真正的力，而是时空弯曲的表现。行星绕着太阳运动是惯性运动，地球上的物体自由落体运动也是惯性运动。

物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动，这句话用来形容爱因斯坦的广义相对论再美妙不过了。
提出假设之后，应该如何验证？
爱因斯坦让大家去做检验，他说光经过太阳之后要发生弯曲，他计算一个角度出来，然后让天文学家们去观察。
1919年那一年，英国天文学家爱丁顿去观测后，面对着高悬的牛顿照片宣告说，尊敬的牛顿爵士，您错了，爱因斯坦对了。

那一刻，爱因斯坦封神。 宇宙有137亿年的历史，银河系又是整个宇宙里两三千亿个星系之一，地球连灰尘都算不上。而他居然用公式，把整个宇宙137亿年的历史解释了出来。
爱因斯坦有句名言——这个宇宙最不可思议的是，它居然是可以被理解的。

三、小结

再回忆一下，爱因斯坦相信：

逻辑优先于现实，只要逻辑上成立，现实当中就一定会发生。

然后，爱因斯坦也是一个破界创新的工作者。破界创新中最难的一步，是看到祖师爷逻辑里的破绽。爱因斯坦精准地找到了牛顿力学中的破绽，打破边界推导出了广义和狭义相对论。
人最怕的是二元对立，非黑即白，非左即右。 就像在一条线上，我从这边来，你从这边来，撞个头破血流没有必要，你只要把线变成平面，就解决了问题。所以，你需要通过升维，来解决二元对立问题。
哲科思维帮助爱因斯坦找到宇宙当中的万物至理，我不知道你是否同意，可否把这种理性的精神推扬到商业当中去呢？
*文章为作者独立观点，不代表笔记侠立场。

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