爱因斯坦是如何思考出伟大的相对论的？不得不佩服它的天才大脑

爱因斯坦是如何思考出伟大的相对论的？不得不佩服它的天才大脑

关于爱因斯坦是如何思考出相对论的，爱因斯坦自己写过一本小书《狭义与广义相对论浅说》。如果真的喜欢思考，建议认真读读这本书，会有一种与大师对话的感觉。

如果要我总结一下的话，我想大概是这样的：

1、爱因斯坦熟知麦克斯韦电磁学理论，并且对之颇为欣赏。基于麦克斯韦方程组，真空中光速可以推导计算得到，其值为真空介电常数与真空磁导率乘积的平方根的倒数，这显然与任何参照系无关。

2、根据传统经典物理理论和经典时空观，速度肯定与参照系有关。因此，要么麦克斯韦电磁学理论仅仅适用于某个参照系；要么麦克斯韦电磁学理论适用于多个参照系，从而光速在不同参照系看来都是一样的。

3、爱因斯坦的思维模式中坚信自然是统一的、和谐的、美的，他不（愿）相信自然会如此的不协调，只允许如此优美对称的麦克斯韦方程组仅仅适用于某一个参照系。他坚信，物理学规律一定是适用于所有参照系的（爱因斯坦将之称为相对性原理）。因此，在第2条的两项选择中，爱因斯坦毅然选择了后者，从而抛弃了经典的时空观。

4、仅仅基于相对性原理和麦克斯韦方程组给出的光速不变的结论，就可以从纯数学变换中推导出狭义相对论的结论，这个推导并不是很复杂，《狭义与广义相对论浅说》附录中有推导过程。从而“钟慢效应”、“尺缩效应”就都被爱因斯坦认识到了。

5、最后，再将牛顿第二定律升格为动量守恒定律，基于动量守恒定律可以推导得到狭义相对论的运动方程，以及著名的E=mc^2 。

6、到了这一步，爱因斯坦仍不满意，因为狭义相对论仅仅得到了惯性参照系中的物理学规律（这是因为牛顿定律成立的参照系是惯性参照系，狭义相对论动力学部分是基于牛顿定律拓展得到的），而对于加速运动的参照系，狭义相对论不再成立。可是爱因斯坦认为物理学规律是在所有参照系中都应该成立的，因此，爱因斯坦认为狭义相对论不是最本质的物理学理论。

7、通过进一步思考，爱因斯坦发现，经典动力学中，为了使牛顿定律适用于非惯性系，需要引入非惯性力，而这个非惯性力与物体的质量成正比。同时，爱因斯坦发现，在引力场中，物体所受的引力也与质量成正比，在引力场中自由落体运动的物体就成为了一个惯性参照系。这个事实成立依赖于一个重要结论，那就是度量物体惯性量度的“质量”与度量引力场强度的“质量”是一样的，而事实上这两个“质量”（一个叫做惯性质量，一个叫做引力质量）都是独立定义的，没有理由凑巧一样。于是爱因斯坦认定惯性质量和引力质量本质上是一回事儿，这是广义相对论的一个基本假设。

8、认识到惯性质量和引力质量是一回事儿，可不仅仅是字面意思这么简单，这说明爱因斯坦认识到了引力的本质，引力是与时空相关的。剩下的事就是寻找合适的数学工具来描述这个物理学规律，这给爱因斯坦带来了很大的难度，直到某一天，爱因斯坦了解到了黎曼空间。伟大的数学家黎曼在几十年前就给出了现成的数学工具，从而帮助爱因斯坦完成了广义相对论的创建。广义相对论的数学表达有一定深度，涉及到张量、微分几何、黎曼空间等，但其方程非常优美、对称，不过求解极难，大部分情况只能是求得近似解。

9、广义相对论是迄今为止人类思维达到的最优美的深度、最深度的优美，它彻底改变了人们对于时空的认识，为我们今天能够在大尺度上研究宇宙奠定了坚实的基础。到今天为止，无数的物理学实验一次又一次地验证着广义相对论的正确和精确，最近、最著名的一次应该是2016年初引力波被观测到。因此，如果有人问我对广义相对论的正确性相信的程度，我会回答“我相信广义相对论的程度要比西方最虔诚的基督教徒相信上帝的程度还要高”。

以上是个人对于爱因斯坦是如何思考出相对论的一个粗浅叙述，如果有可能，建议还是阅读一下大师本人的著作《狭义与广义相对论浅说》。