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相对论刚提出时为什么这么难理解?

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相对论刚提出时,号称全球能完全理解的人不超过十人,现在却成为理工科必修课程,是我们智商提高了吗?


如果把现代一个毕业于名牌大学、学习成绩优异的理科学生,譬如IPhO或者IMO国际金牌级别的学生通过时空穿梭送到十七八世纪,他们会立即成为那个时代最顶尖的科学家吗?再扩大范围一点,现在受过良好高等理科教育的人,送回过去,能否立即成为那个时代的科学先驱?

我们今天看起来是常识性的东西,在当时看来却是革命性的观点,而且智商是以偏离正常人群的概率来计算的,那么现代一个普通大学生穿越到过去,是否会立即变成天才?

一,为什么相对论在当时有难度?

“相对论只有几(不同版本有不同的数字,譬如两个半,三个,十三个)个人能懂”这句话应该是出现在1919年,那一年爱丁顿通过观测太阳引力造成的光线路径偏离直线而验证了广义相对论的一个预言,随后广义相对论开始风靡全球。所以,传言相对论很难其实专门指的是广义相对论,而广义相对论的数学工具对当时大部分的物理学家而言确实很难,因为他们大部分人从来没有接触过微分几何和张量分析这个当时来说很冷僻的数学分支。为什么现在很多物理系的研究生,甚至高年级本科生都可以算广义相对论,例如计算施瓦兹希尔德度规张量,计算施瓦兹希尔德度规下有质量粒子(对应水星)和无质量粒子(对应光子)的测地线轨道?因为自从有了广义相对论,微分几何,黎曼几何,张量分析这些当时很冷僻的数学分支一下子变成了显学,而且大量的数学家,例如Cartan,就是陈省身的老师,都加入了研究广义相对论的队伍中,于是广义相对论的数学工具,例如张量分析,协变微分,黎曼曲率,Christoffel 符号,等等,渐渐地变成了物理学家的标配. 一旦你掌握了相应的数学工具,相对论就没有那么不可捉摸了。


二,为什么现在的理科生较容易的理解?

这是环境熏陶的结果。对我们这个时代的人来说,前人难以理解的东西要么已经有了直观感受,要么从小被无数遍地洗 脑世界就应该是这样,让我们误以为这些世界观都是理所应当的。


从小我们就被教育“力是改变物体运动状态的原因”,相信也有无数人看过鸡毛铜钱实验,因此这些道理都是显而易见并且具有物理直观的。可是几百年前伽利略刚提出来轻重不一的物体在同一高度做自由落体会同时落地的时候,谁信?在那时候人们的潜意识里,不存在“空气阻力”这种东西,但我们不一样,从小就被灌输这样的思想。


我们从小被教育地球是圆的,也有无数卫星拍摄的地球照片帮助我们确认,可是古人怎么可能做到这一切?假如再过几百年,人类能够轻易造出近光速的飞行器,乘坐这些交通工具就如同今天坐火车一样普遍,那时的小朋友可能会觉得时间随速度的改变而改变是显然的; 再进一步,如果未来的人类可以轻易制造微型黑洞,他们在中学物理课上演示引力造成光线弯曲就跟我们今天做鸡毛铜钱实验一样,那时的小朋友会不会想“天哪20世纪的人们怎么这么蠢,这些不都是显然的吗,他们竟然要花一个世纪去消化。”


再说数学。比如列方程解未知数,这些在我们看来都是显然的,但古人花了多长时间才想到“列方程”的?再比如我们从小就被灌输微积分的思想(尽管并不学具体的知识),求一个奇奇怪怪的图像的面积的时候,老师会告诉我们这个要用微积分,将来会学的。到将来上大学的时候我们自然觉得这是理所应当的。知识还是原来的知识,但观念变了。我们已经有了微积分的思想方法,对极限/无穷小等已经有了感性的认识,并且知道无穷大和无穷小也有大小之分,这在牛顿的时代是不可想象的。


总之就是,原来难以理解的东西,我们现在都获得了或多或少的感性认识。尤其是长期浸淫在现代物理/数学的思想方法中,在学习同样的知识时,我们只需要做知识点的填充,思想观念的阻隔已不复存在。

来源:WELSIM
理论通用
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首次发布时间:2023-06-24
最近编辑:1年前
WELSIM
一枚搞仿真的老员工
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