爱因斯坦的相对论是在什么条件和基础下发现的？如何理解相对论？

量子力学的实验结果证明了它的方程和原理是正确的，它的应用广阔而实在，它是前辈科学家，也是人类智慧的结晶，不能否定。但是量子力学的物理意义并没有完备的诠释，使量子力学无法向大众传播，并与相对论兼容，共同完整的描述真实的宇宙。我们中国人科学水平有了巨大的发展，并且有很多人质疑和不满意量子力学的诠释，这本身是一种巨大的进步，我们应该发扬我们整体思维的优势，坚持宇宙的物质性，用物质的相互作用理解宇宙中的一切自然现象，就一定能建立一个统一相对论与量子力学的大统一理论。使在西方分析思维中建立的宏观相对论与微观量子力学，在东方的整体思维中统一起来。由于这个统一的基础是光子，所以我把统一的宇宙理论称为《光量子宇宙论》！

JudeGomila最新推出的百科网站Golden怎么样?

概率，不确定性

全网最通俗版本，深度理解爱因斯坦的广义相对论，时空弯曲的本质

欢迎阅读科学认识论的《通俗物理100课》系列，此系列旨在提高大众基础科学素养，共一百多篇文章，定期更新，涉及物理学各个方面，包括宇宙学，量子力学，相对论，弦论，以及各种前沿物理学知识。专业+通俗=《通俗物理100课》

【第1课：广义相对论】

今天我们系统讲一下广义相对论，从最基本的原理出发，彻底帮助你理解为什么时空是弯曲的。

引力是宇宙中最基本的现象，任何两个物体之间都会产生吸引力。

不管是苹果落地还是月球绕地球旋转，地球绕太阳旋转，引力都会迫使物体之间靠的更近。

可能很多人会认为，引力由物体的质量决定，物体的质量越大，吸引力就越大。

在牛顿理论中，你当然可以这样理解，因为牛顿力学可以很好地计算苹果落地的时间，行星绕太阳公转的数据。

但是事实上，引力并不是真正意义上的力。

举个例子，假设现在有一颗卫星要落向地面，如果引力是一种力的话，那么卫星就应该落向地球的中心，但是真实的情况确是：当卫星落向地面时，它的运动轨迹会随着地球的自转方向发生偏差。

还有一个例子，水星绕太阳的轨道会随着时间的推移以一定的速度改变方向。

如果引力是一种力的话，那么我们就能够极其精确地预测这种运动轨道的偏差。

但是牛顿的引力定律并不能很好地计算类似水星轨道偏差的现象。

所以我们就可以怀疑，引力就不是一种靠质量相互吸引的力，而是时空弯曲造成的假象。

广义相对论的最基础的思想来源就是等效原理。

现在想象一个宇宙空间，周围十几光年都没有任何星系，所以我们可以把其他星系的“引力”干扰忽略掉。

此时你在一个密闭的箱子里，你手里拿着一个小球。此时此刻你处于失重状态，如果你把手中的小球释放，会看到小球漂浮在原地。

然后箱子底部有个推进器点火了，整个箱子以恒定加速度a “向上”运动。这时候你会感受到箱底有一股力拉着你向下运动，小球也会以恒定加速度a向箱子底部下落。

如果这个恒定加速度的数值是9.81m/s2，那么你在密闭箱子里就会感受到和地球表面一样的效果。

你会感受到箱子底部在拉你，这种“拉力”的大小和地球表面是一样的。你还可以看到小球向箱子底部下落的加速度和地面也是一样的。所以你是无法区分自己到底是静止站在地面上，还是在宇宙空间中以9.81m/s2的加速度运动。

在箱子中的你，可能会认为自己是静止站在地面上的，所以受到了来自地球的“引力”。

但是在箱子外的观察者看来，你其实和小球都没有动，箱子也没有在地球上，更不会受到来自地球的引力，只是箱子底部以恒定的加速度“向上”运动撞到你和小球了。

现在我们关闭箱子底部的引擎，你这时候又处于失重状态了！

这时候你拿了一个手电筒，当你打开手电筒，这时候引擎又启动了，你一开始将光线照向箱子右侧的中心点。

但是由于箱子底部向上有个加速度，你最后看到光线会落在箱子右侧中心点的下方。所以你看到的光线是弯曲的。

同时，箱子外也有一个人观察你的行为，在箱子外的人看来，光线并没有弯曲，而是箱子底部以恒定加速度靠近光线。

那么到底是箱子里的人是正确的，还是箱子外的人看到的一切是正确的。

广义相对论认为，箱子里的人和箱子外的人都是正确的。

由于箱子引擎的推动，箱子里的人会认为自己站在地球表面上。而箱子外的人会认为箱子里的人是受到了底部加速度的愚弄，所以才误以为受到了地球的引力。

这样回头一看，我们是无法区分物体自由下落的行为是引力造成的，还是加速度的造成的。所以引力可以等效成加速度。

质量越大的星球引力等效成的加速度数值就越大。

接下来，我会好好分析一下，为什么光线弯曲会造成时间变慢的事实。

刚才我们讲了，在宇宙深空中，以恒定加速度运动的箱子里的人，看到的光线是弯曲的

而箱子外的人看到箱内的光线却是平直的。

对同一个光线的观察，箱内的人和箱外人会得出不同的结果。很明显，箱子里的人观察到的光线弯曲了，光线的路径也就变长了。

根据光速不变原理，箱内的人和箱外测量的光速反正都是一样的。而箱内人却明显感受到光线变长了。我们知道时间等于光经过的路径除以光速，由于光速不变，而箱内的光线路径变长了，所以箱内的时间就变长了。

所以箱内的时间相对于箱外就变慢了。

前面说过，星球的质量越大，等效的加速度就越大。

黑洞的质量很大，所以等效的加速度就更大，加速度越大，箱内的光线弯曲程度就更大，所以光线经过的路径就更长，所以时间相对于参考系外就更慢。

这就是天体的质量越大，其周围的时间越慢的缘故。

一颗苹果在宇宙空间本来是沿直线匀速运动的，当它运动到地球的周围时，就受到了地球的引力，这时候我们可以把地球的引力等效成苹果受到的加速度，由于加速度的存在，苹果原本匀速直线的运动变成了曲线的了。你也可以认为苹果受到加速度后依旧按照原来的路径运动，但是地球却把周围的时空弯曲了，所以苹果不得不在弯曲的时空中运动，就显得是曲线运动。

为了统一计算，广义相对论一般不再区分引力和加速度等效的问题了，而是直接说：有质量的物体会弯曲周围的时空，其实也就等效于加速度带来的曲线运动。

质量越大的天体，其等效成的加速度越大，所以周围的物体轨迹越弯曲，路径延长越大，时间也就越慢。

但是这样说很麻烦，还不如直接说质量越大的天体，周围的空间和时间越弯曲。空间和时间越弯曲就相当于说路径越长，时间越长(慢)。

空间和空间可以简称为时空。所以就成了我们经常听到的那句，天体质量越大，时空越弯曲，时间越慢。而宇宙中质量最大的天体的宿命必然会变成黑洞，所以我们经常会说，黑洞视界外的时间流逝很慢。

其实任何质量大的天体，周围时间相对于地球流逝都很慢，但是星体的质量一旦突破史瓦西极限就必然变成黑洞，所以黑洞如今也是时间变慢的代言词了！

生活中这些现象就是相对论的例证，你还觉得相对论很难吗？

提到相对论，你会想到什么？

爱因斯坦？

E=MC2？

确实，这是大众熟知的关于相对论的基本信息。

但是，想给一个非专业人士，彻底讲明白什么是相对论，真是难事。

如果拿日常生活中很多现象来分析，理解相对论就轻松多了。

打个比方。

你乘坐飞机从北京飞往广州，抵达后走下飞机的那一刻，你已经比地面上的人，年轻百亿分之一秒。

为什么会这样呢？

因为乘坐飞机让我们所经历的时间和空间都发生了极其微弱的变化，飞机飞行的速度，比地面行人的步行速度要快。

这就意味着我们就用了更快的速度，来到了地面上人群所在的时空，相对而言，自然比他们年轻一点，哪怕只有百亿分之一秒。

还拿乘坐飞机举例。

你在中午十二点从飞机上起身，走到你前面十排的地方用了洗手间，15分钟后，你回到自己的座位。

你觉得自己在12点和12点15分都在同一地方，对吗？

可是，一个在地面上看着你乘坐的飞机的人而言，情况就截然不同了。

飞机有飞行速度，假设每小时800公里，地面上的人会认为你已经移动了200公里。

200公里可不是小数目，你还会认为你依然在原来的地方吗？

你拿飞机作为参考物，你依然在同一架飞机的同一排座位上，但对于地面上其他人而言，你早就不在原来的地方了。

选择的参照物不同，加上速度和时间的推移，我们所处的空间就会发生变化。

这也是爱因斯坦提出的时空理论。

英国著名的物理学家布莱恩.考克斯和杰夫.福修，为了帮助普通人理解相对论，理解现代物理学的基础，跟上爱因斯坦的脚步，两位伟大的物理学家共同编写了一本科普入门书《人人都能懂的相对论》。

他们希望用最接地气、通俗易懂的语言，讲述爱因斯坦的狭义相对论，推演E=MC2（能量等于质量乘以光速平方）的方程，重现了爱因斯坦得到这个公式的全过程。

打开这本厚度仅有一公分的书，翻看了前言，就被深深吸引。

“为什么你的脸被一个飞过来的篮球砸中后很疼？”

你也许傻傻说不清楚。

那么，来看看物理学家的回答：

飞过来的篮球是有动能的，打中你的脸后，篮球就把这个能量转移到你的脸上，被转移的能量就是扔篮球的人给篮球的动能。

说白了，你被能量攻击了，这才感到疼痛。

这一番解释，让晦涩的物理知识，立刻变得妙趣生动，不再高冷。

谈及爱因斯坦如何推导出世界著名的方程式E=MC2时，书中提到，不用复杂难懂的数学公式，只借助图画和概念等几何语言，就能构建爱因斯坦的理论，回答为什么E=MC2.

这个方法就三个核心：不变性，因果关系和距离。

单从字面看，这三个词语我们都懂。

我们把空间和时间合并成时空，对整个宇宙来说，时空间距都是一样的，也就是说事件间距有不变性。

假设光速等于宇宙上限的速度，时空让万物平等，一切事物都以相同的时空速度在宇宙中穿行。

事物穿行有动量，就好比网球穿行和时速100公里的汽车穿行，被这二者撞到的区别就是两者的速度（快慢）和质量（轻重）。

所以在爱因斯坦之前，我们认为动量就是物体速度和质量相乘。

说到这里，不得不提能量守恒定律：能量在此处增加，必然在别处减少。

静止的物体也有能量，物体的质量也能转为能量。

这些文字听上去似乎有点拗口，但这些知识点并不晦涩，基本属于初高中物理的范畴。

两位物理学家一再强调，他们不会用超过勾股定理难度的公式来普及相对论。

因此有物理恐惧综合征的人，大可放心。

全书的语言轻松活泼，没有复杂的高难度公式，不会让没有物理学基础的人，看得云里雾里。

我们只需要做一件事，那就是安静地阅读，跟着布莱恩.考克斯和杰夫.福修一起，聚精会神，去领悟物理的神奇，科学家的脑洞，还有爱因斯坦的伟大。

虽然现在提到爱因斯坦，我们眼前浮现的是一个头发花白的小老头形象，但是爱因斯坦提出相对论时，还是一个20岁出头的小伙子。

那时，他还没有大学的学术职位，却探索着那个时代最伟大的科学课题。

一年后，爱因斯坦从瑞士里那帮理工学院毕业，取得了科学和数学专业的教师资格证。

四年后，他第一次写下E=MC2的方程式，因此获得博士学位，从此成为科学大拿。

布莱恩.考克斯和杰夫.福修，二人之所以要出版这本《人人都懂的相对论》，我想原因有二，一是源于他们对物理科学的热爱，两人都是英国曼彻斯特大学理论物理学的教授，可谓超级专业。

二是教书育人的本能，他们希望把物理知识进行更广泛的科普。

对普通人而言，这是一本能帮助自己理解相对论的入门指导书，对那些物理爱好者而言，这是一本非常到位，足够专业的教科书。

这本书还入围了科普书最高荣誉，英国皇家学会科学图书大奖决选名单，如此殊荣，让人对这本书又多了一份景仰和敬重。

不可否认，依然有人会觉得物理离我们的生活太遥远，毕竟买菜做饭洗衣服，也用不到什么高深的物理知识，看这本书有什么意义？

这里我想引用书中的一段话来回答：“通过建立时空模型，爱因斯坦铺平了理解恒星发光的道路，揭示了电动机和发电机的深层工作机制，奠定了现代物理学的基础。同时，这本书还有个目的就是提出质疑，激发大家的挑战精神。”

科学没有普遍的真理，有的只是尚未被证伪的观点。

未来充满各种可能。

我们生活在浩瀚的宇宙星河中，地球、太阳、月亮还有其他行星，当我们对这些自然物质有着更深入的理解，我们才能更加自信从容地跟自然和谐共处。

-----------End------------

文/鱼白

图片来源网络

爱因斯坦错了！2022物理诺奖公布，提及的贝尔不等式到底讲了啥？

2022年的诺贝尔物理学奖在10月4号终于公布了，获奖者分别是来自法国的阿兰·阿斯佩、美国的约翰·克劳瑟，以及奥地利的塞林格，表彰这三位物理学家通过光子纠缠实验，确定了贝尔不等式不成立，且开创了量子信息科学领域。

某种角度来讲，获奖结果直接是在一个更大的传播面上让我们大众知道爱因斯坦错了，为什么呢？

因为诺奖颁给了证实贝尔不等式不成立的量子纠缠实验，而这个实验直接否定了爱因斯坦关于量子世界中依旧保持定域实在性的想法。

EPR佯谬

时间回到1935年，爱因斯坦同和两位助手波多尔斯基、罗森发表了一篇名为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文。

论文内容我们不多讲，但其核心思想被称为的EPR佯谬，通过下面这个例子可以通俗了解一下：

想象一对纠缠的粒子，如果将二者分开数万光年的距离，当我们对其中一个进行测量时，比如A粒子自旋测为上，因为二者处于纠缠状态，那么远处的B粒子自然就是自旋向下。

首先哥本哈根诠释认为，在测量A粒子之前，它是处于既向上又向下自旋的叠加态，而测量行为一旦产生，波函数坍塌，就会得到唯一的测量结果，要么上要么下，而远处的B粒子也在那一瞬间从叠加态中脱离，变为与A粒子自旋相反的状态。

爱因斯坦认为这个过程中存在漏洞，首先它不认可粒子的自旋状态需要测量后才能得知，因为这样是不符合物理实在性的，粒子的状态应该从一开始制备出来就是确定的，就像天上的月亮，难道当你不看它时，它就不存在吗？

其次，既然自旋状态早已确定，那么不论AB相隔多远，只要其中一个粒子状态被测得，那么另一个粒子的状态也就自然得知了，就好像你把一对手套分开放进两个箱子，一个箱子留在地球，另一个箱子放在火星，现在另一个人只需把地球箱子打开，就能立即知晓火星箱子里装的是左手套还是右手套了。

而哥本哈根诠释中的，在测量前两个粒子的状态是不确定，都是处于叠加态，只有测量其中一个粒子的瞬间，另一个粒子才确定了自己的状态。爱因斯坦认为这个过程违背了定域性要求，也就是AB粒子之间存在超光速的信息联系，爱因斯坦本人将其称为“鬼魅般的超距作用”。

隐变量理论

当然了，爱因斯坦的这种观点必然遭到了哥本哈根学派的反驳，其老大玻尔自然第一个站出来，毕竟玻尔和爱因斯坦历来在这个问题上争锋相对。

玻尔认为量子现象不可区分对待，即便AB粒子相隔甚远，但它们仍旧是一个整体，测量行为导致波函数坍塌，自然会同时影响AB粒子，此外一个物理现象只有在测量后才能称为一个现象，在此之前你不可能也没法知晓其状态。

但无论如何，爱因斯坦还是坚定了量子力学不完备的信念，认为量子力学之上应该还有一个更完善的理论，称其为隐变量理论，可以消除那些随机不确定性，进而重新让“上帝不再掷骰子”。

贝尔不等式

可是口说无凭，毕竟物理学本质是一门实验学科，有什么办法能够证明他们的观点呢？

牛人出现了啊，1964年英国科学家约翰·斯图尔特·贝尔为了支持隐变量理论，提出一个著名的数学不等式，称为贝尔不等式，并打开了EPR佯谬实验可行性的大门。

这个不等式是从经典物理角度出发，对相互分开粒子的测量所得情况做了一个限制，简单来讲，如果实验结果违背贝尔不等式，那么定域实在性不攻自破，爱因斯坦就是错了。

为了让大家能通俗理解这个贝尔不等式，下面就用一种非常简单的推导方式展现一下过程：

建一个三维直角坐标系，它有8个卦限

那么粒子的自旋情况就能包含其中，比如分裂出去的第一个粒子A自旋方向在第一卦限，那么从XYZ三轴观测，Ax为+，Ay为+，Az为+，此时B粒子的自旋方向显然而A相反，那么Bx、By、Bz都为-，依次类推，当A自旋方向出在不同卦限里时，与B粒子会有接下来的七种情况，如图

虽然不知道两个粒子到底会是哪一种结果，但这8种情况合起来的概率是1，但在测量时，因为有三种方向可以选择，因此粒子自旋状态的关联程度可以表示为Pxy、Pzy、Pxz，其中Pxy指的是从X方向测量A粒子，y方向测量B粒子，如果测量结果一致，那么就为正，不一致就为负，等式写下来就是这样Pxy=-N1-N2+N3-N4+N5-N6+N7+N8，以此类推可以写出Pzy、Pxz。

之后我们将Pxz和Pzy相减取绝对值，回想起中学学过的绝对值不等式||a|-|b|| ≤|a|+|b|，于是可以写出，这时我们发现这四项可以变得臃肿起来，意外发现前面刚好是8卦限概率之和为1，后面正好是Pxy

于是就有了这个不等式，这就是贝尔不等式

上述推导过程，完全是基于经典物理出发，也就是满足定域实在性所得到的结果，如果实验结果能够验证这个不等式成立，那就说明这世界上确实有隐变量理论存在，但事与愿违，原本贝尔是想借此证明量子力学的不完备性，没诚想却意外巩固了量子力学的正确性。

这一点和当年泊松为了反对光的波动学说，就用该学说计算出了“泊松亮斑”的故事有些雷同。

总结

因而总的来讲，虽然获奖的这些实验和技术啊，早已实现多年，但本次诺贝尔物理学奖的颁布，既是对这些物理学家的肯定，也是在一个更高的传播面上，让大众对量子力学有了一次听闻。

首张量子纠缠照片

还有就是爱因斯坦这位相对论创始者及量子理论的元老，也是否定了他对量子世界的一些想法信念，目前看来，他确实错了。