阿尔伯特.爱恩斯坦等科学家在研究宇宙问题的时候，往往受制于牛顿的万有引力的制约，结果很多数据都对不上号，这里就有两个问题。一是计算的公式出了问题，导致数据不准确。二是牛顿的万有引力不适合深层次的天体力学。

一、牛顿的经典力学有缺陷吗？

牛顿的经典力学，牛顿的三大定律至今都在应用，应该说，牛顿的经典力学已经很完美了，尤其是牛顿的万有引力定律，更是把天体力学推向了高峰。根据牛顿的天体力学理论及万有引力定律，人们发现了海王星。

预见并发现未知的行星，是引力理论巨大威力的最生动的证明，这就是“笔尖下的行星”——海王星的发现。

海王星的发现与天王星有关。天王星在被发现之前就已在天文学家观察的视野里了，只是在这之前天文学家一直把它当作恒星在观察。年法国经度局要求鲍瓦尔德编制木星、土星和天王星的星历表。鲍瓦尔德利用建立在万有引力定律基础上的大行星摄动理论计算这几颗行星的位置，发现木星与土星的理论计算与观察实际符合得很好，然而对天王星来说则很不理想，按年前后的观察资料推算的轨道是两个不同的椭圆。

鲍瓦尔德不得已只好舍弃前面90年的观察，只用-年资料编制天王星的星历表。但他因此而生疑，是年前的观测不准，还有什么别的原因改变了天王星的运行轨道了呢？到年以后，天王星星历表上计算的位置又与观测实际不相符合了，并且越来越大，到年竟大到2秒之多。数据没问题，应该信任天文学家，那么是否有一个未知的行星在影响天王星的运行呢？而有些人开始怀疑基于万有引力定律的大行星摄动理论的正确性。

有两位年轻的天文学家坚力理论是正确的，他们始以行星摄动理论预测天王星轨道外那个未知行星的位置，他们是英国的亚当斯和法国的勒维烈。数学系的青年大学生亚当斯自年开始思考这个问题并试图以摄动理论反推未知行星的位置、轨道和质量，这是一项很困难的工作。已知二行星之间摄动，求某一运动轨道较方便，反之从另一行星所受摄动来推算未知行星的位置、运行轨道和质量则很不易，以前从未有人做过这一工作。亚当斯在年首先算出这颗未知行星的轨道和质量，并将结果分别报告了剑桥大学天文台和格林威治天文台的台长但并没能引起他们的重视，报告一直压着没发表，也没用天文观察加以证实。

年，巴黎工艺学校天文学教师勒维烈也开始对这个问题进行研究，他是在巴黎天文台台长阿拉果请求下寻找这个未知行星的。勒维烈首先订正了鲍瓦尔德天王星星历表中的误差，然后根据理论值和观测值，预测这颗未知行星位于比天王星距离远二倍处。他进一步根据开普勒第三定律，算出其周期，又根据一个被称为“波得定律”的经验公式推算了这颗行星的质量、位置和轨道。年9月18日，他把计算结果寄给了柏林天文台的伽勒。伽勒在收到信后立即进距不到行观测，在第一夜的观测中就认出了那颗新行星，与预测位置。海王星就这样在笔尖下被发现了。这一发现带有一定的机遇和偶然性，因为后来发现他们所用的波得公式并不对，即使如此，海王星的发现仍不失为牛顿万有引力定律最成功的例证。年，汤姆波夫根据海星运动不规则性的记载发现了

可说是前一成就的历史回声。

但是，人们解释不了另外的一些问题，于是科学家们认为那是因为有一种很奇怪的物质叫“以太”。似乎牛顿的经典力学出了问题。

二、爱恩斯坦非要把“以太”弄明白不可。

以太（Ether、Aether）、阿卡夏（Akashic）。专指：组成空间的意识流、灵界创造物质现象界时所创造的第一种最基本元素。物质现象界的万物生存在其内。称为五大基本元素之第一，主声音。也是四大基本元素的创造者。亦经常作为“空间”的代名词。在恒星与恒星之间，灵眼可观察到空间是由一种暗红色的流体状意识流所组成，形成一种形状较稳定的空间流体，此乃以太。

在科学史上，它起初带有一种神秘色彩。后来人们逐渐增加其内涵，使它成为某些历史时期物理学家赖以思考的假想物质。

牛顿虽然不同意胡克的光波动学说，但他也像笛卡尔一样反对超距作用并承认以太的存在。在他看来，以太不一定是单一的物质，因而能传递各种作用，如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动，但以太的振动不是光，因为光的波动学说（当时人们还不知道横波，光波被认为是和声波一样的纵波）不能解释今天称为的光的偏振现象，也不能解释光的直线传播现象

到了爱恩斯坦时代“以太”这个东西就显得多余，如果假定“以太”的不存在，很多物理现象可以有更为简单的解释。

爱恩斯坦巧妙地用追光思想解释了狭义相对论。

即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，为,,m/s，与光源及观察者的运动状况无关。

试想一辆快速行驶的汽车企图超过一列火车。如果我们猛踩油门，汽车和火车并驾齐驱地奔驰，我们能窥视火车里面，火车对我们来说似乎是静止的，我们能看到火车里面的座位和做着各种动作的人，好像火车根本不在运动一样。类似的，如果一个孩子想象和光一起旅行，那么光看起来应该没有运动。

乍看起来，这似乎是荒唐的。这意味着我们永远不能超过火车(c)。也就是说，无论我们把汽车开多快，火车似乎总是以同样的速度跑在我们前面。换句话说，一束光就像水手们喜欢杜撰的“鬼船”一样，是永远无法赶上的空幻船只。不管我们把船开得多块，鬼船总是躲开我们，嘲弄我们。

为了弄清这个简单的的陈述怎能导致如此深刻的结论，让我们重新回到汽车企图超过火车的类比中。我们假设人行道上的行人记录了汽车和火车的行驶速度，汽车每小时行驶99公里，火车每小时行驶公里。自然，从我们的观点出发，我们看到火车以每小时比汽车快1公里的速度在我们前面行驶。这是因为速度能像简单的数一样进行加减。

现在，让我们用光束来代替火车，但光的速度仅保持在每小时公里。行人仍然能看到我们以每小时99公里的速度紧追以每小时公里的速度传播的光束。根据行人的观点，我们应该迫近光束。然而，根据狭义相对论的观点，汽车中的我们实际看到光束并不是像预想的那样以每小时领先我们1公里的速度行进，而是以每小时公里的速度行进。显然，我们看到光束迅速地领先于我们，好像我们处在静止中一样。我们不在相信自己的眼睛，使劲地踩油门，直到行人记录我们的汽车以每小时99.…公里的速度疾驰。毫无疑问，我们猜想自己一定会超过光束。然而，当我们透过车窗看时，光束依然以每小时公里的速度在我们面前疾驰。

只有一种方法能解决这个佯谬。我们自然而然地得出一个惊人的结论，而爱因斯坦第一次想到这个结论时就完全被惊呆了。对这个佯谬唯一的解决办法是，对于汽车中的我们而言，时间变慢了。如果行人用望远镜盯着我们的汽车，他会看到车中的每个人行动都极其迟缓。然而，车中的我们从没注意到时间正在慢下来，这是因为我们的脑筋也慢下来了。对于我们而言，一切似乎都正常。此外，他看到汽车在运动方向上变扁了。汽车像手风琴一样缩拢起来。然而，我们从来没有感觉到这个效应，这是因为我们的身体也在收缩。

这就是光速不变原则，也是狭义相对论的灵魂。

狭义相对论的出现彻底把“以太”抛弃了，也使物理学进入了相对论的时代！但还没有完全摆脱惯性系。

三、电梯思想实验

爱因斯坦的天才之处一部分就在于他有能力仅通过想象力去思考物理学问题。这些所谓的“思想实验”在构想广义相对论的理论方面产生了许多深刻见解，广义相对论是描述引力的理论。

电梯思想实验

在爱因斯坦的思想实验中，最著名的一个例子是关于假想电梯的例子。根据爱因斯坦的设想，电梯内的人将无法区分引力场和加速度，因为人通常感受到的来自地球的向下的重力很容易感受为在零重力的情况下，电梯载着人“向上”加速。如果一个人困在电梯里，没有窗户，就无法分辨出其中的差别。

NIST的团队测试了这个思想实验的另一个方面，即电梯里的所有东西都会有相同的加速度，它们的相对属性也会保持不变——零变化。这是一个叫做局部位置不变性（LPI）的概念。科学家利用地球本身作为“电梯”，并比较了地球上十几个原子钟的运转。在研究了近15年的数据之后，结果得到的差值是0.±0.，非常接近于零。犹如分秒不差。

物理学家表示，这个结果比之前得到的结果更接近于零，这要归功于技术的进步，特别是当今原子钟惊人的准确性。这些原子钟极其稳定，它们在亿年（目前宇宙的年龄）的时间里误差不超过0秒。

不过，现在还有问题在于科学家需要使结果尽量更加接近理论。因此，新的原子钟已经在研究中，并且应该会在未来的几年里提供更精细的测量。

既然现在的结果已经如此接近于零了，为什么还要再去测量呢？

因为局部位置不变性应该是宇宙的基本属性，对局部位置不变性有更精确的测量，意味着其他一切物理数字都能变得更加精确。总之，再一次，爱因斯坦的思想实验又被证明是正确的。

在等效原理的帮助下，电梯思想实验告诉我们，引力场和加速度是相等的。广义相对论成功地拓展到了非惯性系中。

小结：从牛顿的经典力学到爱恩斯坦的侠义相对论再到广义相对论，物理学的发展一直紧紧跟着时代的发展，现在人们把目标集中在量子及量子力学方面，这时优化时代意义的话题。