为什么爱因斯坦可以在当时没有事件验证的情况下提出各种理论？后来验证是对的？
为什么爱因斯坦可以在当时没有事件验证的情况下提出各种理论？后来验证是对的？
曾经有这样几句话形容理论和实验物理界的科学家：“理论物理废纸，实验物理费钱，理论和实验物理费米”，当然这是褒奖费米同志是二十世纪最后一位理论与实验物理兼备的罕见人才，费米这样的科学家实在难得。但我们今天要说的却是一位连费米都仰望、二十世纪物理界的超级大佬：爱因斯坦，他是理论物理界的地位首屈一指，他创立的理论，整个二十世纪甚至二十一世纪都在验证！
狭义相对论是爱因斯坦独创的吗？非也！
有很多不了解狭义相对论的朋友认为狭义相对论是爱因斯坦独创的，一般都只有一句，1905年爱因斯坦的狭义相对论横空出世，事实上确实是横空出世，但却是很多科学家的铺垫，爱因斯坦也曾经说过，如果他不推出狭义相对论，那么5年之内必定有科学家也会发现狭义相对论！我们来了解下狭义相对论的背景！
早期的铺垫是牛顿的万有引力以及三大定律，还有拉普拉斯对太阳系行星轨道周期性证明，还有勒维耶计算出的水星进动问题，早期认为有一颗祝融星在水星轨道内影响所致，另比较关键的有如下几点：
首先是麦克斯韦在1860年代推出的麦克斯韦方程组，推导出电磁波是一个常数，并且和光速一致，这让麦克斯韦意识到光也是一种电磁波。
然后是以太的爱好者迈克尔逊和莫雷为证明以太而进行的一次漂移实验，结果一脸懵逼的到了漂移零结果，这让迈克尔逊和莫雷目瞪口呆，并且此事在科学界传开后，多方都加入战团，但除了得到误差越来越小的结果外，其他都没有区别。
1895年洛仑兹提出了高速运动的物体长度收缩的概念来解释以太漂移的零结果，并且通过相关态定理提出了本地时的概念，用这个理论洛仑兹解释了光行差和多普勒频移以及斐索流水实验。在同一年洛仑兹提出了一组使用麦克斯韦电磁理论在以太中运动的坐标系的变换方程，这就是洛仑兹变换！
1900年庞加莱则对洛仑兹的本地时以光速同步为之解释。1904年庞加莱独立于爱因斯坦提出了相对性原理：“任何力学和电磁学实验都不能区分静止和匀速运动的任何惯性参考系”
到这里大家应该都知道，狭义相对论的光速不变和下一相对性原理都已经准备好了，所以1905年爱因斯坦推出狭义相对论只是一个阶段性的总结+开创性的思维的结果，如果没有麦克斯韦、洛仑兹和庞加莱，那么爱因斯坦不知道还要耕耘多少年，而且就凭爱因斯坦理论物理的底子，那些需要实验物理支撑的数据是难以拿到的。当然爱因斯坦并没有独吞功劳，本文开头爱因斯坦就已经定义狭义相对论的性质了！
广义相对论是爱因斯坦独创的吗？很明显是！
广义相对论虽然用到了很多数学与物理工具，但这个理论从头至尾都是爱因斯坦独立思考成型的，唯一求助于其他科学家的也仅仅是数学工具，因此从这一点上来看，爱因斯坦独享广相的荣耀是毫无疑问的，十年的时间的对于一个理论与体系，也许先得太紧凑了，但对于爱因斯坦来说，他在1915年就完成了，并于同年11月在普鲁士科学院做了演讲，内容正是引力场方程！
这个方程是一个二阶非线性偏微分方程组，在数学上求解十分困难，爱因斯坦自己也只能近似方法推导出多个预言，但最著名的还是要数史瓦希在1916年得到的第一个精确解：史瓦希度规，大家都知道这是黑洞的理论基础！
1917年爱因斯坦将引力场方程应用到整个宇宙，开创了相对论的宇宙学应用领域，但爱因斯坦比较倾向于宇宙静态论，因此他在引力场方程中增加了一个常数，以修正动态宇宙为静态。
而弗里德曼和勒梅特则从引力场方程中得到了膨胀宇宙解，而哈勃则观测到了宇宙膨胀，这让爱因斯坦懊恼不已“这是爱因斯坦犯过的最大错误”，爱因斯坦自己认为！
当然爱因斯坦的广相还证明了水星进动，引力弯曲光线，解释了宇宙膨胀，发现了黑洞，预言了引力波.......等等，其实远不止此，还有光电理论和分子运动论，还有激光理论和玻色-爱因斯坦凝聚态等等，都是爱因斯坦在理论物理界做出的贡献！
但爱因斯坦在量子力学上犯过的错误也是不可饶恕的，也许他太中意于世界的连续，以至于几乎就抛弃了他也是量子力学开创者之一，他反对量子力学从初期的试图根本性推翻，到中期和波尔的各个交锋，再到后期的量子理论不完备性等等，几乎可以说，1927年之后即使爱因斯坦去钓鱼也对科学界不会有大的损失，可见爱因斯坦还是犯了一个不可饶恕的经验主义错误！
但我们要说明一下的是，尽管爱因斯坦在量子力学上拖了后腿，但他提出的各种思想实验却是量子力学不断坚实基础的重要来源，也许对手的强大正给了量子力学野蛮的生长方式，但至少证明了一点，爱因斯坦并不是神，他是一个活生生的人，无论如何，我们敬佩与他的勇气和伟大，他开创性的理论甚至在未来数百年内依然照耀科学界，爱因斯坦的传说将永流传于科学界！
理论物理可以说是自然科学中最不耗钱的专业了，它甚至简单到只需要一支笔、一个本子就可以写下伟大的理论，当然，简单只是来形容工具简单，关键还得靠脑子。爱因斯坦无疑是一位伟大的理论物理学家，他所建立的理论是物理学史上最璀璨的光芒，直到现在，爱因斯坦创立的理论预言正逐渐地被验证，这才是爱因斯坦伟大之处。
爱因斯坦为什么可以办到在没有实验验证的情况下，提出各种前沿的物理理论呢？
1915年，爱因斯坦发表论动体的电动力学，通俗的说法叫它狭义相对论，1916年，正式发表广义相对论，这2个理论都是爱因斯坦在纸上完成的。狭义相对论的2个基本出发点是：光速不变原理以及相对性原理，这2个原理并非爱因斯坦独创，可以说，爱因斯坦之所以提出狭义相对论，是因为爱因斯坦站在前人的肩膀上提出来的。
光速不变原理，这个在爱因斯坦之前已经萌芽了。在麦克斯韦提出电磁方程组的时候，根据方程组联立可以解出来光速是一个定值，即光速c=1/√ε0μ0，ε0、μ0分别代表真空介电常数、真空磁导率，这2个都是常数，故光速也定是一个常数。
另外一个启发是迈克尔逊莫雷实验，这个在1887年由莫雷与迈克尔逊俩人做的实验，充分表明了一个道理，那就是在任何的惯性系、在任何方向上，光速都是一个定值，以太这个绝对静止参考系是不存在的。不过，这个实验有趣的一点是，原先他们俩人是为了测量地球在以太中运行的速度，你没看错，他们俩原先与大部分的科学家一样，都认为以太是存在的，可实验的结果与他们认为的刚好相反，反倒证明了以太不存在。
爱因斯坦由这些启发，大胆的假设了光速不变原理，用来作为狭义相对论的基本原理。而相对性原理，最初是由伽利略提出的，后来，爱因斯坦将只适用于经典力学的相对性原理推广到电磁学，从经典的伽利略变换推广成洛伦兹变换，也就是相对性原理。
可以看出，狭义相对论是爱因斯坦在吸取前人的经验基础上提出来的。广义相对论是爱因斯坦个人思想的升华，他创造性地指出引力是质量或能量扭曲时空所产生的几何效应，提出了描述物质如何运动的引力场方程，后来许多人研究引力场方程，并由此衍生出来了诸多新名词：引力波、黑洞、虫洞、引力透镜效应、引力红移等。
爱因斯坦在纸上写出了描述宇宙的理论，提出了各种预言，引力波、黑洞已经被证实，光线经过大引力场时会偏折、引力红移也都被证实，随着时间的流逝，科技不断发展，人类有能力去验证爱因斯坦当时提出的理论，当预言逐一被证实后，才愈发觉爱因斯坦的伟大。并且，爱因斯坦在1916年作出的有关于激光的预言，现在激光不仅被证实了，也广泛地应用于各行各业中。
为什么理论物理学家可以不靠实验就可以做出各种理论呢？
这样的看法并不准确，理论物理学家也离不开实验，当然实验可以是已经被做过的实验，从中获得数据即可，也可以是思想实验，一种在脑海中完成的实验，并不需要在现实中进行。所以，理论物理学家的成就一部分来自于实验，一部分来自于灵感。
文/科学船坞
爱因斯坦对于物理学的学习研究很深，早在青少年时代对物理学前沿知识很了解。他默默思考，汲汲无名。
他了解到光是有速度的，光的速度经过了测量，接近于某个数值，比如说太阳光到达地球的时间大约是8分钟，这个怎么得来的。英国的科学家测量的。还有早期的咖利略在2个山头上各放一个灯，也许是马灯，测量光从一个山头到达另一个山头的速度。为什么要测量光速，也许是工业上需要。
更早没有人意识到光是有速度问题，光不是瞬间到达的吗？雷电之时，先看到光，接着听见雷响，声音总是慢于光到达地面，为人所接受。
爱因斯坦也是知道了迈克尔逊莫雷试验，该试验表明任何情况下的光速都是一样的，但这只是试验而已。而爱因斯坦将其当成假设，假定光速不变，并从此理论进行了推导。
推导结果之一是物体运动时，其长度会缩短，质量会变小，少去的质量变成了能量，又经数学推论，导出质能公式。从而爱因斯坦发现了自然界又一基本物理现象，即物质会转化成能量的。后来又发现了物质的放射性，似乎都可用此公式解释。高速放射的粒子也是物质，速度接近光速转化成能量。
于是核裂变中放射性可控制，能用来生产核武器，也可利用核能发电。
推导结果之二是时空不是绝对的，这个理论也并不新鲜，属哲学认识问题，马赫就批评过牛顿机械时空观，而爱因斯坦深受启发。现在通过对光学的研究又似乎证明了。
爱因斯坦是物理学史上首屈一指的物理学家，因其提出了许多非常令人瞠目结舌的理论且这些理论往往能够成功解释一些之前无法解释的现象而被人熟知。那么，爱因斯坦是怎样凭借着一支笔一张纸就提出这些正确的理论的呢？主要有以下几个方面。
爱因斯坦的理论
爱因斯坦大学毕业后，并没有一开始就进入研究机构或者大学从事物理理论研究与教学工作，而是在朋友的帮助下才寻找到一份专利局职员的工作，但是，爱因斯坦并没有放弃自己的爱好，而是利用业余时间进行研究，终于在1905年迎来大爆发。
1905年，爱因斯坦相继发表了多篇论文，每一篇论文都是具备获得诺贝尔奖级别的研究成果。这些论文主要是：
因此，1905年也被称为爱因斯坦奇迹年。在这些理论中，狭义相对论横空出世，尤为突出；狭义相对论是指物体在惯性系下的运动规律，其依靠于两条基本假设：
1.相对性原理
2.光速不变原理
而推导出，除此之外，爱因斯坦还认为时空是一体的，不能分开分析。因此在狭义想多论的数学推导中，始终包含着光速这个常数。后来的迈克尔逊雷实验碰巧证明了光速不变而也证明了爱因斯坦狭义相对论的正确性。
1915年，爱因斯坦为了将狭义相对论拓展到非惯性系，因为宇宙中都是非惯性系，他提出了巅峰之作广义相对论，在广义相对论中，爱因斯坦利用等效原理把带引力的非惯性系转化成不含引力的惯性系，凡是有引力的地方我都给它加一个自由降落的参考系将引力消除，让后就可以利用一致的狭义相对论来处理问题了。
等效原理：局部引力场中自由下落的参考系与无引力场的惯性系不可区分。
据说爱因斯坦因为梦中坐电梯联想到一个电梯实验而获取灵感,这个实验的大概描述是如果一个人在电梯里自由落体，那么它是感受不到重力的，就像在电梯里悬浮了一般。也就是说重力场与加速度是等效的。
广义相对论描述了引力的本质，它的通俗解释为任何有质量的物体都是导致其周围的时空弯曲，而时空弯曲决定了其周围物质的运动规律。广义相对论后来也被英国天文学家艾丁顿爵士的日食实验所验证。
狭义相对论与广义相对论是爱因斯坦一生之中最杰出的成就，除此之外，爱因斯坦还有许多伟大的成果。
下面就来讨论一下爱因斯坦为什么会提出这么多正确的理论呢？
爱因斯坦青年时期扎实的基本功
一个人能够能够取得卓越的成就并不是靠的的是运气，尤其在严谨的科学领域，如果没有青年时期扎实的学习和蛰伏是不可能成功的。爱因斯坦出生在德国的乌尔姆市，爱因斯坦青年时期来到苏黎世学院读大学，在课堂上爱因斯坦常常设计出比教授们还要优秀的实验例子。
爱因斯坦的学习不仅仅在课堂上，他对最新的物理发展总是充满好奇，无时无刻在进行思考，即使他在划船，他也没有放下手中的纸和笔，对于不明白的知识，爱因斯坦总是寻求彻底精通。爱因斯坦对近代物理的研究比任何人都要深入，他日以继日的埋首书堆。这些都为爱因斯坦打下了扎实的基本功。
爱因斯坦卓越的物理直觉和创造性
人们常说勤奋的重要性，但是我认为勤奋可以让一个人成为一个小有成就的科学家，但是想要成为大神级的人物那必须需要天赋，也就是人们嘴中常说的天才。
爱因斯坦总是在敢于人先，举个例子，在狭义相对论为发表之前，除了爱因斯坦之外，还有洛伦兹和庞加莱可能先爱因斯坦一步发表，但是其中洛伦兹因为始终相信以太的存在，并认为迈克尔逊穆雷实验测定的光速不变仅仅是一种表象。这就导致了他错过了广义相对论。
爱因斯坦数学朋友们的帮助
因为爱因斯坦是一位理论物理学家，在爱因斯坦研究物理的过程中，数学就十分重要。但是我们知道，爱因斯坦的数学水平并不是顶级的，许多数学知识需要现学现用。
比如在建立广义相对论中爱因斯坦不得不感谢两位数学家，一个是马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossmann），还有一个是20世纪的大数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert）。格罗斯曼为爱因斯坦推荐了黎曼几何来定量的描述爱因斯坦理论中的时空弯曲；爱因斯坦因为错误地放弃广义协变性，之后在于希尔伯特的合作中得到了正确的引力场方程。
经典力学是量子力学的特例，相对论是经典力学与量子力学之间的“桥梁”——介观物理。
100多年来物理理论正处于“瓶颈期”裹足不前，相对论与量子力学处于发展中，经典力学不能研究量子力学范畴的问题。例如:不能用“摩擦”解释雷电的产生。
陨落地质学理论认为:物质是金属氢聚合形成的；物质是能量的载体，磁场里高速流动的物质转化为金属氢，金属氢的“磁力矩”相互切割聚合形成新元素的同时释放电磁波——能量。显然:物质不能转化为能量， 热核反应质量守恒；链式反应是冲击波层流里高速流动的物质转化的金属氢聚合的新元素反复裂解为金属氢产生了连续的爆炸。
爱因斯坦的相对论，尤其是狭义相对论的诞生过程很多人并不太了解，会认为狭义相对论是爱因斯坦一个人的功劳，是爱因斯坦天才大脑的结晶！
事实上远非如此。因为直到今天，也并非所有的科学家都认同是爱因斯坦创立的狭义相对论，有些科学家认为庞加莱或者洛仑兹比爱因斯坦更早创立了狭义相对论，科学界确实存在着这种争议。
这说明什么？说明狭义相对论的诞生条件早已经相当成熟了，即使没有爱因斯坦，狭义相对论也会很快诞生。庞加莱和洛仑兹等人几乎触摸到了狭义相对论的圣杯，就差捅破那层窗户纸：彻底否定以太的存在！
因为牛顿的绝对时空观影响实在太深远了，虽然牛顿经典力学与麦克斯韦方程组不协调，但当时的科学大佬们很难彻底摆脱牛顿绝对时空观的影响，于是通过各种假设来协调经典力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾，而以太的概念就是在这种背景下提出来的。
不过科学家们发现，如果以太存在（以太的概念只是假设），会导致更多自相矛盾无法解释的结果，这就意味着科学家必须提出更多的假设来保证以太概念的成立，而每一次假设就像一颗定时炸弹那样随时会爆发，因为假设越多，出错的几率就越大！
爱因斯坦的伟大之处就在这里：如果说以太概念会导致更多自相矛盾的结果，为何不直接否定以太的存在？以太的概念本来就是假设！
于是，爱因斯坦用“奥卡姆剃刀”把以太的概念“咔擦剪掉”，狭义相对论呼之欲出！
其实狭义相对论也是建立在两个假设（前提条件）基础上的，一个是相对性原理，另一个更重要：光速不变原理。相对性原理很符合人们日常认知，而光速不变原理不太符合我们日常认知，但仅仅这一个假设就能协调经典力学与麦克斯韦方程组的矛盾！
所以， 能够看出，其实狭义相对论本身并没有什么太特殊的地方，本身就是建立在“光速不变原理”这个假设的基础上提出来了，有了这个原理，狭义相对论很多公式就能轻松推导出来，某些公式甚至初中水平就可以推导！
但光速不变原理的提出并不是所有人都有这种水平的，没有足够物理学知识的积累，没有足够的颠覆性思维和大胆创新，是很难提出来的！