登陆注册
281100000070

第70章 《相对论》爱因斯坦

一句经典

世界不可理解的是,世界是可以理解的。 

——爱因斯坦

作者简介

爱因斯坦(1879~1955),德国物理学家。生于符腾堡乌尔姆。早年取得瑞士国籍,1913年重新获得德国国籍,1933年迁居美国,1940年加入美国籍。1905年获得哲学博士学位。1909年起历任苏黎世大学等校教授,后任美国普林斯顿高等研究所研究员。为反抗**,建议并参加第一颗原子弹的研制工作。他在物理学的许多领域都有重大贡献,最重要的是建立了狭义相对论,并推广为广义相对论,还提出了光的量子概念等理论。因发现光电效应定律,于1921年获诺贝尔物理学奖。著作有《相对论的意义》等。

成书背景

19世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐藏着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度。

在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独到的见解。在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读许多著作,开始了自己在科学上的探索之路。

思想品读

爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。

1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。

而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有过多讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。

爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他给出了著名的质能关系式:E=mc2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。

1905年,爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后,并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章,认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推动,相对论很快成为人们研究和讨论的课题,爱因斯坦也受到了学术界的注意。

1907年,爱因斯坦听从友人的建议,提交了那篇著名的论文,申请联邦工业大学的编外讲师职位,但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气,但在瑞士,他却得不到一个大学的教职,许多有名望的人开始为他鸣不平。1908年,爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位,并在第二年当上了副教授。1912年,爱因斯坦当上了教授,1913年,应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。

在此期间,爱因斯坦开始考虑将已经建立的相对论推广,对于他来说,有两个问题使他不安。第一个是引力问题,狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的,但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的,两个物体之间的引力作用在瞬间传递,即以无穷大的速度传递,这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题,狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系,但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系。

1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》,在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理,此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦还提出了封闭箱的说法:在一封闭箱中的观察者,不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中,这是解释等效原理最常用的说法,而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。

1915年11月,爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文,在这四篇论文中,他提出了新的看法,证明了水星近日点的运动,并给出了正确的引力场方程。至此,广义相对论的基本问题都解决了,广义相对论诞生了。1916年,爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》,在这篇文章中,爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论,将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理,并进一步表述了广义相对性原理:物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。

爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论很好地解释了水星近日点运动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动,20世纪20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。

1919年,在英国天文学家爱丁顿的鼓动下,英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食,经过认真的研究得出最后的结论是:星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告,确认广义相对论的结论是正确的。会上,著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说:“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果。”“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一。”爱因斯坦成了新闻人物,他在1916年写了一本通俗介绍相对论的书《狭义相对论与广义相对论浅说》,到1922年已经再版了40次,还被译成了十几种文字,广为流传。

影响与评价

狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。

相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。

狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。

广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体。到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究。

一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦:“在我们这一时代的物理学家中,爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一。”“按照我的看法,他也许比牛顿更伟大,因为他对于科学的贡献,更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中。”

同类推荐
  • 逃离北上广

    逃离北上广

    在本书中(书中所用人名大部分为化名),我们精心挑选了“坚守者”或是“逃离者”的种种事例,并对这些现象作出了解读,对于应该“坚守”或是“逃离”进行了分析,从中可以发现他们“坚守”或是“逃离”的原因,以及“坚守”或是“逃离”后的心态和生活状况,希望这本书能让那些为了自己的梦想而拼搏奋斗在各个城市的年轻人解开心中的疑惑,找到前进的方向,获得拼搏的力量,为自己心目中向往已久的理想生活而不懈拼搏!
  • 中国人的脸谱

    中国人的脸谱

    本书是美国著名学者亚瑟·亨·史密斯先生的经典著作。
  • 悦读MOOK(第十八卷)

    悦读MOOK(第十八卷)

    本书将带你走进茫茫书海,我们将请一些学者和专家帮你指津,请一些书界人士为你剖析书坛风云,使你从中获得大量的图书信息,还能饱览各类书籍的精彩片段,一册在手,尽情享受读书的乐趣。
  • 悦读MOOK(第十七卷)

    悦读MOOK(第十七卷)

    本书将带你走进茫茫书海,我们将请一些学者和专家帮你指津,请一些书界人士为你剖析书坛风云,使你从中获得大量的图书信息,还能饱览各类书籍的精彩片段,一册在手,尽情享受读书的乐趣。
  • 中华句典4

    中华句典4

    中华文化博大精深,汉语文字奥妙无穷。悠远的历史为我们创造出了鲜活精彩的语言和文字,每一个字、每一句话都是一个故事,都牵动着华夏文明的神经。本书共收录名言警句、歇后语、谜语、对联、俗语、谚语等上万条。这些鲜活的语言文字语简意赅,大多经过千锤百炼,代代相传,才流传至今。这些语句,或寓意深长,或幽默风趣,有着过目难忘的艺术效果。本书以句句的实用性、典型性和广泛性为着眼点进行编排,所选的句句时间跨度相当大,从先秦时期的重要著作,到当代名人的智慧言语均有涉及;所选的名句范围非常广,从诗词曲赋、小说杂记等文学体裁,到俗谚、歇后语、谜语等民间文学都有涉猎。
热门推荐
  • 都市最强杀神

    都市最强杀神

    【2019年最火爆爽文】作为职业杀手的我成了校花李若芸的陪读生,这个校花美到令人窒息却刁蛮不讲理,竟然让我住地下室。但我却在地下室偶遇封印世界,这下子我牛逼了,学习各种封印术:隐身,控冰,禁术生命轮回等等,而且还是稀有的暴击属性。这追求校花的人实在是太多了,我是见一个虐一个。这些人里面赫然有隐世家族,他们竟然也懂封印术,这到底是怎么回事?原来世界的外面还有一个世界。
  • 艰难备孕

    艰难备孕

    【已出版】于静嫁给了凤凰男顾家辉。顾家辉终于当上了企业老板小有成就,于静也在集团公司当了HR主管。可是烦恼却悄然而至。结婚三年,未得一子。于静急了,努力备孕。正在这时,丈夫的外甥女俞春来了,从此,于静家里再无宁日。他的秘书肖珊通过俞春了解到,因此找到了鸠占鹊巢的捷径,对顾家辉进行了疯狂的追求。
  • 冷颜杀手

    冷颜杀手

    他,本是无情杀手,却为她百般柔情;他,坐拥天下,却唯独得不到她的心;他,为她付出所有,却最终选择孤身离去;他,一直默默守护,却始终不愿接受她勉强的爱情;他,为得天下不择手段,却还是逃不出她的情劫……
  • 黑白道2:暗算

    黑白道2:暗算

    《黑白道2:暗算》可以视为《黑白道》和《使命》的姊妹篇。白山市所属的山阳县发生一起惊人的血腥案件,县委书记郑楠的妻女双双被杀害在家中,公安机关却迟迟不能破案,李斌良、林荫等人临危受命,誓破此案。可是,随着侦查的深入,他们发现,这绝不是一起普通的刑事案件,一场曲折复杂,牵动着白山政坛的斗争在等待着他们……黑与白,生与死,残酷与温馨再次呈现。
  • 红巾军起义

    红巾军起义

    《中国文化知识读本:红巾军起义》以清新的语言、扎实的史料,简明而不失其要地讲述了元朝末年张士诚和方国珍发动红巾起义的全过程,以及朱元璋参加红巾军并建立明朝的始末。
  • 这是一支离别的歌

    这是一支离别的歌

    上海女孩程闻瑾过着平静、简单、一尘不变的生活,直到她十六岁时爱上一个人,一个同龄的男孩子周君彦,方才体会到一种不一样的滋味。那种陌生、真切、微苦而回甘的滋味,绵延了她之后的十年。在她为了追寻初恋来到纽约的这段期间里,程经历了个无家可归的孤独感,尝到了初恋情人违背誓言的苦涩,找到了另一个可以让她耍赖、让她依靠、教她独立的男人,一个真正爱她的男人林晰。多年后当周再次出现时,程一度失去方向。林因为爱她而离开她,她也终于在没有林的呵护下真正成长起来,在他们两人的梦想城市巴黎,程认真审视自己的爱情,为心爱的人创业,开始了新的生活。
  • 破解戒毒难

    破解戒毒难

    一本从实践中来,通过总结、提炼上升为理论成果,具有指导性作用和操作性较强的戒毒专著。书中对新形势下的戒毒康复进行了有益探索,一是对《禁毒法》实施前后的戒毒康复进行了回顾和总结,在戒毒理念、方法、措施等方面有所创新和发展。二是戒毒康复理念上的创新。三是博采众长,总结了一些好的经验和做法。
  • 人生的感悟大全集(超值金版)

    人生的感悟大全集(超值金版)

    由于时间和空间的限制,有许多风景我们无法亲自体验,有许多路我们无法一一走过,有许多人我们无法相识相知,有许多情感我们无法细细体会。然而,当你手捧这本书的时候,会马上发现一个全新的世界,拥有一份意外的收获,它将帮助你在古今中外的时空隧道里任意驰骋,在人生情感的喜怒哀乐里信步徜徉。
  • 昆虫记:蓑蛾的保护层(第7卷)

    昆虫记:蓑蛾的保护层(第7卷)

    中国唯一全译插图本跨越两个世纪的传世经典献给所有敬畏生命、热爱生活的读者它们捕猎、相爱、生儿育女,它们诈取、被杀、朝生夕死……昆虫的世界从不绝望,它们永远生机勃勃。卷七:蓑蛾的保护层法布尔将专业知识与人生感悟融于一炉,用自己客观、独特的眼光描述了象虫、叶甲、步甲、石蛾和蓑蛾等昆虫的生活习性,字里行间洋溢着作者本人对生命的尊重和热爱,宛如一幅描绘属于昆虫秘密花园的精美画卷。对生命的最后时刻感到不安的心态,成了我们的最大痛苦,同时也显示了我们的崇高伟大。——法布尔《昆虫记第七卷:蓑蛾的保护层》
  • 高校学系:学园禁地,校内惊悚事件(新惊魂六计)

    高校学系:学园禁地,校内惊悚事件(新惊魂六计)

    死亡的气味,让人如此胆寒心惊!绝对恐惧、凄婉、离奇、诡异!身临其境的感觉、凄婉的场景、恐怖的气氛、奇异的故事,一切,就发生在你我身边。吓到你胆颤-吓到你神经错乱!阅读时务必当心,胆小者切勿尝试!越恐怖越上瘾,让你冷彻骨髓、胆寒崩溃的恐怖故事。