马斯克一系列创新的成功秘诀在于将严谨的科学思维运用到商业领域。追根溯源，还是学学科学思维吧。物理学是研究最普遍的运动规律和物质基本结构的学科。物理学作为自然科学的主导学科，研究从宇宙到基本粒子的一切事物最基本的运动形式和规律，因此成为其他自然科学学科的研究基础。物理学史上有许多重大突破。让我们回顾和学习这些突破背后的科学思想。1.物理学的真正开端有一个基本问题，千百年来因为它的复杂性而模棱两可。这就是运动的问题。我们的直接经验认为，运动与推、拉和举有关。要使一个物体运动得更快，就必须用更大的力来推动它。古希腊哲学家亚里士多德提出：力是物体运动的原因，必须有力地作用于其上，物体才能运动；没有力的作用，物体就会停止。在好的侦探小说中，一些最明显的线索往往会导致错误的怀疑，一些最明显的直观解释往往是错误的。590年，伽利略在比萨斜塔上做了著名的“两个铁球同时落地”的实验，推翻了亚里士多德“物体下落的速度与其重量成正比”的理论，纠正了这个延续了几千年的错误结论。伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略的相对性原理，从而推翻了亚里士多德物理学的许多假设，奠定了经典力学的基础。伽利略还在研究方法上为现代物理学的发展铺平了道路。是他第一个将实验引入物理学并赋予其重要地位，改掉了仅凭推测得出结论的恶习。同时，他也非常注重严格推理和数学的应用。比如他用消除摩擦力的极限来说明惯性运动，推导出大石头和小石头应该一起下落的速度，让亚里士多德陷入了一个悖论的困境，从而否定了重的物体比轻的物体下落速度快的结论。这样的推理可以消除直觉错误，从而对现象的本质有更深刻的理解。伽利略的科学发现不仅在物理学史上，而且在整个科学史上都占有极其重要的地位。他用系统的实验和观察推翻了纯粹思辨的传统自然观，纠正了亚里士多德统治欧洲近两千年的错误观点，创造了研究自然科学的新方法。他开创了以实验事实为基础、具有严密逻辑体系的现代科学，他本人也因此被称为“现代科学之父”。爱因斯坦和因菲尔德在《物理学的进化》一书中评论说：“伽利略的发现和他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开始”。2.牛顿创立了经典力学的理论体系。牛顿在伽利略等人工作的基础上进行深入研究，总结出运动三定律；在开普勒工作的基础上，他发现了万有引力定律。他的三大运动定律和万有引力定律的发现奠定了现代物理学和力学的基础，他的万有引力定律和哥白尼的日心说奠定了现代天文学的理论基础。

1687年，牛顿发表了他的代表作《自然哲学的数学原理》，分为五个部分。第一部分是写在正文前面的一篇长长的“说明”，对书中用到的一些概念，如力、天体、力学、运动、物质的量等进行定义和必要的解释。第二部分是“运动的公理或定律”，详细介绍了物体运动的三个定律：惯性定律、力与运动的关系定律、作用力与反作用力定律；第三部分是本书的第一卷，讨论物体在自由空间中无阻力的运动。第四部分是本书的第二册，比较了不同物体在阻挡介质中的运动，得出了阻力与物体速度的一次方和二次方成正比的公式。它还讨论了气体的弹性和可压缩性，以及声音在空气中的速度。第五部分是本书的第三卷。根据前四部分的论证，推导出万有引力定律，用大量的自然事实解释万有引力的存在，包括月球运动的偏差，海洋潮汐的变化，岁差的差异等等。755-79000总结了近代天体力学和地面力学的成就，为经典力学定义了质量、动量、惯性、力等一系列基本概念，提出了运动三定律和万有引力定律，从而使经典力学成为一个严谨、完整、系统的理论体系。755-79000是人类掌握的第一个完整的科学宇宙观和科学理论体系，影响遍及经典自然科学的各个领域。这本书意味着经典力学的成熟，其中经典力学的理论体系成为现代科学的标准尺度。3.麦克斯韦统一了电学、磁学和光学。1820年，丹麦科学家奥斯特通过偶然发现的磁针偏转现象，提出电流具有磁效应。经过反复实验，法拉第提出了电磁感应定律，引入了电场和磁场的概念，指出电和磁的周围都有场，打破了牛顿力学中“超距作用”的传统概念。然而，法拉第是一个实验物理学家。小时候因为家里穷，没有接受正统教育，数学能力弱，无法通过数学公式证明自己的理论。法拉第的书《自然哲学的数学原理》从头到尾都没有公式。1855年，麦克斯韦发表论文《自然哲学的数学原理》，首次尝试将数学形式引入法拉第的磁力线概念，从而初步建立了电与磁的数学关系。这篇文章引起了物理学界的关注，也得到了法拉第本人的称赞。1862年，麦克斯韦发表了他的第二篇论文《电学的实验研究》。在这篇论文中，他首次提出了“位移电流”和“电磁场”等新概念，给出了电磁理论更完整的数学表达。1864年，麦克斯韦发表了他的第三篇论文《论法拉第的力线》。本文不仅给出了麦克斯韦方程组，而且首次提出了“电磁波”的概念。麦克斯韦认为变化的电场会激发磁场，磁场反过来会激发电场。这种不断变化的电场和磁场共同构成电磁场，以横波的形式在空间传播，也就是电磁波。麦克斯韦计算了电磁波的传播速度，发现非常接近光速，于是他指出：“光和磁是同一物质的两种性质，光是按照电磁定律在电磁场中传播的电磁扰动”。1888年，年轻的德国物理学家赫兹通过实验首次证实了电磁波的存在，真正验证了麦克斯韦理论的正确性。麦克斯韦的贡献和地位得到了全世界的认可。麦克斯韦方程组精确地描述了电磁场及其相互作用的特征，使他把电、磁、电磁波、光的混沌现象总结成统一完整的理论。在科学史上，一般认为牛顿对天地运动规律的统一是“第一次”大统一，而麦克斯韦对电、磁、光的统一

4.爱因斯坦的狭义相对论的革命性时空观1)牛顿的绝对时空观牛顿提出了自己的绝对时空观时间和空间是独立的，它们之间没有联系。空间平坦而均匀，并且时间是一个绝对的旁观者，总是匀速流动，不参与这个世界的一切。牛顿的绝对时空观认为，物体的运动不会影响时间和空间，所以时间和空间对于任何状态下运动的任何物体都是一样的。如果你没接触过爱因斯坦的相对论，估计很多人都会认同这个观点，因为我们在日常生活中感受到的就是这样的情况。这种绝对的时空观是普通人特别熟悉的生活习惯，而这种绝对的时空观是基于感觉和常识的生活经验，是不可证伪的。2)光速不变。后来麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组，通过方程组推导出光速方程。从光速方程可以知道，光在同一介质中的传播速度是恒定的，也就是说无论采用哪种参考系，光速都会保持恒定。这一理论的提出，对牛顿的绝对时空观造成了极大的冲击。3)修修补补。许多科学家赞同牛顿的绝对时空观以及光速不变理论，因此他们试图找到调和这两种理论的方法。以H. Lorenz为代表的许多物理学家通过在牛顿力学框架内引入各种假设，对牛顿理论进行了修补，最终导出了许多与实验结果一致的新方程，如时间减速和长度收缩假说、质速关系式和质能关系式，甚至得到了洛伦兹变换，这些方程都包含了真空光速。这些公式仅足以解释现有的新现象，但这些公式来自不同的假设或不同的模型，而不是同一个物理理论。而且用牛顿的绝对时空观来解释洛伦兹变换和真空中的光速，在概念上也很难。爱因斯坦的狭义相对论基于两个公理，即相对性原理和光速不变原理。4)相对性原理“相对性原理”是指物理定律在所有惯性系中都是一样的。5)光速不变原理“光速不变原理”有几种含义。第一层是约定或规定，在任何惯性系中，真空中的光速处处各向同性，即光速处处相同。利用这个约定，爱因斯坦校准了静止在太空中的时钟，使它们“同步”或“同步”，从而在整个空间中定义了一个统一的时间。一个惯性系中的统一定义时间是讨论相对论的前提；第二层是光在同一介质中的传播速度是恒定的。光在不同的介质中以不同的速度传播，但这并不意味着光需要它们作为介质，只是光穿过它们，光不需要任何介质。例如，它在真空中传播最快，但在空气、水和玻璃中传播较慢。但是光在同一介质中的速度是不变的，这是由电磁定律决定的。第三层是光速不随光源的移动而改变。其实不仅仅是光的电磁波，还有我们普通的水波。光速不随光源的移动而改变，这是许多波的普遍性质。电磁波的传播是由电场和磁场的相互感应引起的，所以电磁波传播的速度实际上是电场和磁场相互感应的速度，所以与光源的运动无关。第四层是现实世界中的光速不随参考系的变化而变化。这是光速不变时最难理解的地方，也是很多困惑和争议的根源。在这里，光波和水波、声波等机械波表现出本质的区别。就是我们通常所说的“光速不变原理”:真空中的光速与观察者相对于光源的运动无关。

注意“光速不变原理”强调的不是空间所有点的光速都是均匀各向同性的，而是在所有惯性系中测量时，真空中的光速都是同一个常数，与这些惯性系的相对运动无关。5)洛伦兹变换在“相对性原理”和“光速不变原理”的基础上，爱因斯坦严格引入了狭义相对论的核心公式洛伦兹变换，并进一步严格引入了相对论、动尺收缩、动钟变慢、速度叠加公式、质量公式、质能关系等“同时性”的相对论效应，从而建立了狭义相对论的完整大厦。洛伦兹变换是狭义相对论中最基本的关系，它反映了时间和空间是不可分的。要确定一个事件，必须同时使用三个空间坐标和一个时间坐标。这四个坐标组成的空间叫做四维时空。低速时，被观测物质的速度也远小于光速，洛伦兹变换率约为“1”，退化为近似的伽利略变换。牛顿力学是狭义相对论的特殊形式(洛伦兹变换率约为“1”)在低速下，狭义相对论力学类似于牛顿力学。6)狭义相对论。1905年，年仅27岁的爱因斯坦发表了《论物理学的力线》一文。基于光速不变原理和狭义相对论原理的基本假设，以洛伦兹变换为核心，建立了不同于牛顿时空观的新的平坦时空理论，解决了经典力学的危机。这就是众所周知的狭义相对论。狭义相对论在运动学的基础上统一了力学和电磁学，揭示了空间和时间这两种物质存在形式的统一，在本质上以及与物质运动的关系。狭义相对论的提出给物理学带来了革命性的变化，更新了人们的世界观，改变了人类对宇宙和自然的“常识”观念，提出了“同时相对性”、“四维时空”等新概念。狭义相对论的建立不仅引起了物理学的变革，而且对现代哲学产生了深远的影响。它对时间和空间、物质和运动的新观点极大地发展了科学自然观。7)总结“光速不变原理”和“同时相对性”与人们的日常生活观念完全冲突，与伽利略变换不相容。相对论发表后很久，人们仍然觉得难以理解，主要是不能跳出“同时绝对化”的错误观念。在狭义相对论提出之前，洛伦茨、庞加莱等许多人为相对论的建立做了准备。洛伦兹收缩公式和洛伦兹变换公式都出现在爱因斯坦提出相对论之前。但洛伦兹对上述公式的理解是不正确的，洛伦兹认为存在以太和绝对空间，放弃了相对性原理。在相对论发表之前，庞加莱曾推测真空中的光速是一个常数，可能是极限速度。他还建议通过“同意”光速的各向同性来校准两地的时钟。爱因斯坦读过庞加莱的相关文章，从他关于创立相对论的文章中不难看出庞加莱对他的影响。但是，庞加莱并没有意识到“光速不变原理”。虽然庞加莱坚持相对性原理，否认绝对空间的存在，但他仍然相信有以太。事实上，承认以太就等于承认一个优越的参照系的存在。所以庞加莱并没有完全跳出绝对时空的框架。只有爱因斯坦不承认绝对空间或以太的存在，彻底坚持相对论原理。这可能与马赫对他的影响有关。马赫只是一个三流的物理学家，却敢于挑战权威，说牛顿是错的。马赫认为不可见的东西不应该轻易承认，所以他否定了牛顿的绝对时空观和以太的存在。马赫认为所有的运动都是相对的。相对论发表后，爱因斯坦高度评价了马赫对自己的影响。

真正推开相对论大门的是爱因斯坦。他提出了“光速不变原理”，同时实现了“相对性”。他在放弃绝对空间的同时放弃了以太，最彻底地坚持了相对性原理。只有他看清了新理论的本质，认识到相对论其实是一种时空理论。5.爱因斯坦的广义相对论彻底改变了时空观。狭义相对论有两大难点：一是与惯性系定义有关，二是与引力有关。1)惯性系难以定义。爱因斯坦的相对论是以“惯性系”为基础的，但在他的新理论中，惯性系是无法定义的。这种困难在牛顿的经典物理中是不存在的。根据牛顿的理论，绝对空间是存在的，任何相对于绝对空间静止或匀速直线运动的参照系都是惯性系。爱因斯坦的相对论不承认绝对空间的存在，认为一切运动都是相对的。这样牛顿理论中定义惯性系的方法就不能用了。用牛顿第一定律来定义惯性系似乎是可行的：一个没有力的质点，如果在参考系中保持静止或匀速直线运动，就可以定义为惯性系。但是重力无处不在，无法屏蔽，所以粒子无法免受重力影响。除此之外，宇宙中可能还有其他未知的、看不见的力量。如何判断一个质点不受力？最好的办法是事先设定一个惯性系统。如果一个粒子保持静止或匀速直线运动，可以认为它不受力。但是，这样定义“无作用力”需要事先有“惯性系”的存在，而“惯性系”的定义恰恰是我们需要解决的一个难题。我们陷入了一个无解的逻辑循环：用“不受力”的概念定义“惯性系”，用“惯性系”的概念定义“不受力”。显然，这样的循环定义是不可接受的。爱因斯坦的相对论是基于对惯性系的讨论。现在，惯性系无法定义。狭义相对论的基础似乎建立在流沙之上，难度不小。2)引力与狭义相对论矛盾的另一个严重困难是引力定律无法装进狭义相对论的框架。当时我只知道两种力，一种是电磁力，一种是引力。麦克斯韦的电磁理论与狭义相对论严格一致，但万有引力定律与狭义相对论相矛盾。爱因斯坦曾试图将万有引力定律纳入狭义相对论的框架，但失败了。对这两个难点的反复思考，让爱因斯坦建立了广义相对论。3)广义相对论原理在重新定义惯性系的一些努力失败后，爱因斯坦很快有了新的想法：我们可以不要惯性系吗？在物理学中，惯性系的定义反映了相对性原理。爱因斯坦认为惯性系本身不是最重要的，最重要的是表达物理规律的普遍性，也就是相对性原理。因此，他建议废除惯性系的优越性，将相对论原理推广而不是定义惯性系，从惯性系推广到任何参考系，这就成了“广义相对论原理”:物理定律在所有参考系中都是一样的。这样就避免了定义惯性系的困难。4)等效原理另一方面，非惯性系中存在惯性力，如惯性离心力、旋转圆盘上的科里奥利力等。如何处理惯性力也是一个问题。经过反复思考，爱因斯坦不仅认识到引力和惯性力的相似性，而且认识到“引力质量等于惯性质量”是经过严格的实验检验后得出的结论。他决定进一步推这个结论，提出等价原理：惯性场和引力场是局部等价的。也就是说，在无限小的时空里，人们分不清重力和惯性力。爱因斯坦关于电梯的思想实验清楚地表达了他的等效原理的思想。想象一下，一个观察者在一个封闭的电梯里，无法获得电梯外的任何信息。

当他看到电梯里的一切都在自由下落，下落的加速度G与物体的大小和物质成分无关时，他分不清自己处于以下两种情况中的哪一种：(1)电梯静止在引力场强度为G的行星表面；(2)电梯在没有引力场的空间中以加速度G运动，所以他感受到场强为G的惯性力，产生上述现象的原因是没有物理实验可以用来区分引力场和惯性场，即等效原理造成了上述不可分性。等效原理告诉我们，在引力场中自由落体且不旋转(旋转会产生科里奥利力)的无穷小参考系，可以看作惯性系。等效原理进一步告诉我们，当只有引力场和惯性场存在时，任何粒子，无论其质量如何，都会在时空中描绘出相同的曲线。自由落体的实验已经表明了这一点。比如在真空中斜抛一个金球、一个铁球、一个木球，只要抛的初速度和倾角相同，三个球在空间中的轨迹都是一样的。也就是说，一个质点在纯重力和惯性力作用下的运动，与其质量和成分无关。于是，爱因斯坦在物理思想上取得了又一重大突破。他大胆猜测引力效应可能是几何效应。万有引力不是一般的力，而是时空弯曲的一种表现。由于引力源于质量，他猜测时空的弯曲可能源于物质的存在和运动。5)广义相对论的等效原理和广义相对论原理构成了爱因斯坦新理论的物理基础。经过10年的探索，他终于提出了广义相对论。新理论克服了旧理论的两个基本困难，用广义相对论原理取代了狭义相对论原理，拥抱了万有引力。爱因斯坦认为新理论是原相对论的延伸，所以称之为广义相对论，而原相对论被称为狭义相对论。广义相对论其实是一个关于时间，空间和引力的理论。狭义相对论认为时间，空间是一个整体，称为四维时空，能量和动量是一个整体，称为四维动量，但并没有指出时间，空间和能量，动量之间存在联系。狭义相对论中，时空和物质互不影响，四维时空是平的。广义相对论进一步指出，时空和物质之间存在着本质的联系和相互影响：能量和动量的存在(即物质的存在)会使四维时空弯曲；弯曲的时空会反过来影响物质的运动。根据广义相对论，引力不是一般的力，而是时空曲率的一种表现。6)实验证明爱因斯坦发表了广义相对论，同时他提出了可以验证这一理论的三个实验：引力红移、水星轨道近日点进动、引力场中的光弯曲。这三个观测实验都证实了广义相对论的正确性。在过去的100年里，广义相对论得到了实验观测的支持，随后其预言的引力波被多次证实，并在天文学、宇宙学、黑洞和时空理论中得到应用。广义相对论在日常生活中也发挥着重要作用。现代人类离不开各种全球定位系统，其中时间参考原子钟必须修正时间因速度和重力引起的变化，否则定位精度偏差过大无法使用。7)总结在爱因斯坦提出相对论的过程中，逻辑思维和数学考虑都起了重要作用，但真正起决定性作用的是物理思想的创新和飞跃。6.量子力学1)黑体辐射1900年4月27日，英国物理学家开尔文在《电磁场的动力学理论》发表演讲，称物理学的高楼已经建成，后世物理学家只需要做一些零碎的修补工作。只是它美丽晴朗的天空被两朵乌云遮住了。凯尔文表达了他对这些问题的关注

量子革命的导火索不是对物质的研究，而是辐射的问题。具体的挑战是理解来自黑体(即热物体)的辐射光谱。烤多了的人都很熟悉这个现象：热的物体会发光，越热，光会越亮。光谱范围很广。当温度升高时，光谱的峰值从红线移动到黄线，然后移动到蓝线。在18世纪，由于没有温度计来测量极高的温度，炼钢工人常常通过钢水的颜色来控制温度。炼钢炉越蓝，温度越高；颜色越红，温度越低。当时，人们需要获得发射光子的频率和温度之间的精确关系。维恩根据经验得到维恩公式，可以描述黑体辐射的高频段；瑞丽-金斯公式可以描述黑体辐射的低频段。然而，没有一个公式可以完全覆盖黑体辐射的整个波段。瑞丽-金斯公式在高频段趋于无限辐射能量，史称“紫外线灾害”。2)普朗克公式普朗克苦苦思索，突然有一天灵机一动，用自己高超的数学技巧构造了普朗克公式。这个公式在高频时趋于韦恩公式，在低频时趋于瑞利-帕金斯公式。普朗克的公式与实验完全一致，但这个公式背后的物理意义是模糊的。1900年12月14日，普朗克在柏林的德国物理学会上提出了普朗克公式的物理意义。即通过引入振子能量量子化的概念可以导出普朗克公式。普朗克突破了经典物理学中能量是连续的概念，引入了能量的最小单位量子，量子力学由此诞生。1900年12月14日被公认为量子力学的“诞生日”。虽然公式与实验完全一致，但他充分意识到理论本身是荒谬的，正如他后来所说：“量子化只是一种绝望的方法”。3)光电效应量子理论发展史上的下一个重要实验是光电效应。光电效应是指当光线照射到金属表面时，金属表面会发射出电子。如果这块金属连接到电线上，电线中就会产生电流。有意思的是，当这束光的频率小于某个频率时，再强的光也无法产生电子；只有当照射光的频率大于这个频率时，才会出现电子溢出。这个频率被称为截止频率。光电效应很难用经典物理学的知识来解释。1905年，爱因斯坦发表论文《自然哲学的数学原理》，引入了普朗克描述的“量子”概念。他毫不犹豫地得出结论，如果振子的能量是量子化的，那么产生光的电磁场的能量也应该是量子化的。完美地解释了光电效应，也因为对光电效应的解释，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖。4)玻尔的原子模型众所周知，原子中含有带正负电荷的粒子，不同的电荷相互吸引。根据经典电磁理论，当加速的电子围绕原子核旋转时，电磁波必然会辐射出去，失去能量。正负电荷会螺旋靠近，最终电子会撞击原子核，原子结构最终会崩溃，变得不稳定。另一位新秀波尔迈出了决定性的一步。1913年，玻尔修改了这个模型。他提出了如下假设：电子在原子中的位置不是任意的，而是在特定的轨道上运动。当电子在这些轨道上运动时，并不辐射电磁波，只有当电子从一个轨道跳到另一个轨道时，才会发射或吸收电磁波。光的波长取决于稳态之间的能量差。结合已知的定律和这个奇怪的假设，玻尔解决了原子稳定性的问题。玻尔的理论充满了矛盾，但玻尔的原子模型很好地解释了巴尔默公式和氢光谱，令人满意，使量子论取得了初步的胜利。

玻尔的原子模型没有解释为什么电子在特定的轨道上运动，为什么能量是量子化的。不是从最基础的理论推导出来的，缺乏理论支撑。而玻尔的模型无法解释两个以上电子的运动。尽管如此，玻尔的模型激励了无数更年轻的物理学家从量子化的角度研究原子模型，最终建立了量子力学理论：5)量子力学体系的建立1923年，德布罗意提出物质波假说，将波粒二象性应用于电子等粒子束，将量子理论发展到一个新的高度。从1925年到1926年，薛定谔率先成功地建立了电子的波动方程连同物质波的概念，找到了量子理论的基本公式，波动力学由此创立。几乎与薛定谔同时，海森堡写了一篇题为《关于运动学和力学关系的量子理论的再解释》的论文，创立了求解量子波动理论的矩阵方法。1925年9月，玻恩与另一位物理学家乔丹合作，将海森堡的思想发展为系统的矩阵力学理论。很快，狄拉克改进了矩阵力学的数学形式，使之成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。薛定谔在1926年证明了波动力学和矩阵力学这两个看似形式和内容不同的理论，其实是完全等价的。狄拉克在1926-1927年发表的两篇关于“表象变换理论”的文章，最终统一了薛定谔和海森堡的理论。因为狄拉克的工作，人们不再把海森堡的量子力学或者薛定谔的量子力学叫做量子力学，而是全部叫做量子力学。海森堡的矩阵力学、薛定谔的波动力学以及将它们联系起来的狄拉克的表象变换理论，成为现代量子力学教科书的基本内容。6)量子力学的应用量子力学在过去的一百年里给人类带来了太多革命性的发明。几乎所有的现代科技都不涉及量子理论，如激光、半导体、原子能、纳米材料和器件、凝聚态、等离子体等。这些都取决于量子力学的原理和效应。对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明，为现代电子工业铺平了道路。7.回顾和总结近代物理学的几次重大突破，可以看到他们不断打破习惯于他们的狭隘认知的禁锢，勇敢地做出新的假设，从最基本的核心假设开始严谨的演绎推理，最终构建出整个理论体系，再通过严谨的实验来检验理论的正确性。总的来说，整个过程也充分体现了科学思维的精髓：大胆假设、仔细求证、事实核对。注：本文中与案件相关的信息来源于互联网上的公开信息检索。如有细节错误或遗漏，敬请谅解。