100多年前的1915年11月|从“偶像来了”到“绝对大牌”的物理学家 100多年前的1915年11月

100多年前的1915年11月，阿尔伯特·爱因斯坦向普鲁士科学院提交了广义相对论的文稿，从任何一位秉持公心的科学家看来，爱因斯坦独自创立的广义相对论取得了巨大成功，在过去和现在的多次检验中，广义相对论的正确性都得到了严格检验。建立在狭义相对论基础上的广义相对论解决19世纪物理学一些最棘手的理论谜题。如何理解广义相对论的基本含义和物理学意义？很有必要回顾一下19世纪的物理学状态，从物理学史的线索中寻求爱因斯坦的伟大理论如何实现了物质、时间和空间的统一，从而彻底推翻了时间、空间和几何学彼此分离的经典物理理念，物质和时空物理学的基本概念不是绝对的，它们的性质依赖于所处的物理环境。
美妙的不变性
17世纪的伊萨克·牛顿概括、提炼了一组方程式，牛顿力学的定律形式描述了人们周围物体的受力特性和运动性质，经典力学非常成功，既刻画了加农炮弹的飞行轨迹，也描述了行星运动的规律等，牛顿力学的概念有非常吸引人的特征，例如：所有观察者——无论运动与否，无论处在哪个惯性系或“惯性框架” ，他们观测的周围物体的运动规律都是相同的，当两个观察者在不同的方向上运动时，他们看到的物理事件都以同样的方式展开，每个观察者对事件形式的观测和记录有所不同，一个观察者报告说，他或她看到一个从左边向右边运动的物体，另一个观察者报告说，他或她看到一个从右边向左边运动的物体，但他或她对两个物体运动方式的基本描摹是相同的，观察者归纳的两个物体的运动规律表现了相同的形式。但从19世纪时，人们开始注意到不是所有物体的运动都遵循了这种不变性的规律。
电磁场的物理问题
19世纪的电学、磁学和光学获得飞速发展，工业革命的浪潮推动了这些学科广泛性的研究和应用， 1865年，物理学家麦克斯维尔发表了一组方程式，他将所有的电、磁和光联合成单一的电磁学现象。在麦克斯韦推导出一组电磁学公式之后，人们很快意识到在这组公式中包含了某些奇异的性质，当从一个惯性系转移到另一个惯性系时，公式的表达式发生了变化，一个观察者在静止时观测到的物理现象与同一个观察者在运动时观测到的物理现象出现了明显不同。
物理学家开始意识到，人们已经熟悉的牛顿物理学概念并非普遍适用，所有不变性和与观测者的不相关性只是一个美丽的神话或虚幻。当观测和描述一个物理事件的性质时，人们必须考察事件发生的所在参考系，一个观测者在一个参考系看到的运动现象和同一个观测者在另一个参考系看到的运动现象十分不同，对物理事件性质的观测和记录依赖于观测者所在的参考系。

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历史的车轮转到了20世纪，产生了一种新的数学变式，在描述物体运动从一个惯性系转换到另一个惯性系时，新的物理数学应用保持了麦克斯维方程式的架构，许多物理学家贡献了他们的智慧，但人们将创新的物理数学转换称为“洛伦兹变换” 。人们在牛顿力学中使用的惯性系之间的标准变换不同于洛伦兹变换，牛顿物理学中的长度和时间概念是绝对的、恒定的，一个物体在一个惯性系的长度与同一个物体在另一个惯性系的长度是绝对相同的，根据牛顿绝对时空观的概念，在一个惯性系中的时间流逝与在另一个惯性系中的时间流逝是绝对一致的，然而，在洛伦兹变换的时间和长度等物理概念发生了变化，这些物理量的变化实际上依赖于观测者所在的参考系。