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从狭义相对论到广义相对论的过渡,阿尔伯特

来源:http://www.mummyrent.com 作者:凤凰彩票网-凤凰彩票平台【彩票预测最准】 时间:2019-09-01 19:32

  1911年的一天,在著名的布拉格大学校园里的一片草地上,一群大学生围坐在一位年轻学者的身旁,正进行着激烈的讨论。

1911年的一天,在著名的布拉格大学校园里的一片草地上,一群大学生围坐在一位年轻学者的身旁,正进行着激烈的讨论。请您通俗地解释一下,什么叫相对论?一位学生微笑着向青年学者发问。年轻学者环视一下周围的男女学生,微笑着答道:如果你在一个漂亮的姑娘旁边坐了两个小时,就会觉得只过了1分钟;而你若在一个火炉旁边坐着,即使只坐1分钟,也会感觉到已过了两个小时。这就是相对论。大学生们先是一愣,接着便大笑起来。好!今天我们就谈到这里。年轻学者站起身来,向大家告别后,便向图书馆走去。

相对论

狭义相对论的成功在于破除了经典力学的绝对时空观,表明了对时间和空间的测量要依赖于物体的运动,这里更多的是特指物体相对于真空中光速的运动速度。狭义相对论使得时空不再只是物体运动的机械舞台,而且是有活性可变化的,会随着速度的节拍快慢而配合演奏。

  “请您通俗地解释一下,什么叫相对论?”一位学生微笑着向青年学者发问。

这位年轻学者,就是伟大的科学家,相对论的创始人——爱因斯坦。

狭义相对论的创立:早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度运动,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?

狭义相对论包含了经典力学,而在使用狭义相对论时,也同经典力学一样,首先总得找到或者建立一个惯性参考系K,基于此系才能进行讨论。当然任何一个与K参考系作相互直线匀速运动的参考系都能对问题进行讨论,它们之间满足洛伦兹变换,这就是狭义相对论原理。如此考察问题甚是方便,特别是在经典力学中的绝对时空背景,但这也是狭义相对论的缺陷所在,即我们为什么总要使用惯性系,惯性系的优越性是不是必要的,以及如何在非惯性系中考察物体的运动?

  年轻学者环视一下周围的男女学生,微笑着答道:“如果你在一个漂亮的姑娘旁边坐了两个小时,就会觉得只过了1分钟;而你若在一个火炉旁边坐着,即使只坐1分钟,也会感觉到已过了两个小时。这就是相对论。”

爱因斯坦1879年3月14日出生在德国的一个犹太人家庭。父亲是一个电器作坊的小业主,当爱因斯坦15岁时,父亲因企业倒闭带领全家迁往意大利谋生。

与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质。其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了19世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展。当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波,从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太。

而毫无疑问的是,在我们的客观世界中,是无法找到惯性系的,因为宇宙在膨胀,星系在旋转,万物各自忙。而由此也导致了一些反相对论的佯谬,如朗之万的孪生子悖论。但其实不过是将仅适用于惯性参考系的狭义相对论用在了非惯性系中而导致的逻辑错误罢了。而爱因斯坦想必清楚地认识到这一点,并且认真地考量狭义相对性原理对于相互作加速运动的参照系的适用性,以及惯性系与加速惯性系之间的联系。

  大学生们先是一愣,接着便大笑起来。

1896年秋天,爱基斯坦就读于瑞士联邦高等工业学校。在学校里,除了数学课以外,他对其它讲得枯燥无味的课程都不感兴趣。但热衷于探索自然界的奥秘,对此他产生了浓厚的兴趣,利用课外时间阅读大量有关哲学和自然科学的书籍。

但是,电动力学遇到了一个重大的问题,就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想,早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量,然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同,这就出现了一个问题:适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如,有两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论,这两种光的速度相同,汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论,这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速,即前车的光速=光速 车速;而驶离车的光速较慢,因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢?

而另一方面,狭义相对论无法接纳牛顿的引力。牛顿的确是站立在巨人的肩膀上才看得远——在天文观测上第谷收集了许多天文数据,而开普勒的数学天才整理了三大定律,最后牛顿引入距离平方反比,才建立表观性的万有引力定律。但万有引力的本质是什么?牛顿是未必能洞悉的。牛顿的引力是瞬时超距的,能在整个空间中起作用。这违反了狭义相对论的真空中光速不可超越的推论,当然如果牛顿像电磁理论一样引入场的观念并对引力场作一些说明,会使得理论更加的唯物,其实在性也更加可靠。爱因斯坦估计也是基于此而考察经典引力理论的。根据经验所知,在这个引力场中,无论物体是什么材质以及处于什么样的物理化学状态,其在该场某点上所受到的引力都是一样的,能获得同样的加速度,并且是位置的确定的函数。这表明了引力场定律一定是个确定的位置相关的函数。基于以上两个困难,如何将狭义相对性原理推广到广义相对性原理,即所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式以及处理万有引力在相对论中的形式,成了爱因斯坦完成狭义相对论以后十年间的巨大任务。

  “好!今天我们就谈到这里。”年轻学者站起身来,向大家告别后,便向图书馆走去。

1900年,爱因斯坦从瑞士联邦高等工业学校毕业后,加入了瑞士国籍,长期找不到工作。两年后,他才在瑞士联邦专利局找到同科学研究无关的固定职业。但在专利局供职期间,他不顾工资低微的清贫生活,坚持不懈地利用业余时间进行科学研究,并不断取得成果。

19世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机。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。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说:“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了。”

接下来简单地谈一下在没有任何数学情况下广义相对论所建立的物理图象。

  这位年轻学者,就是伟大的科学家,相对论的创始人——爱因斯坦。

1905年,爱因斯坦在物理学方面的研究,取得突破性进展,创立了狭义相对论。这时他刚刚26岁。相对论是爱因斯坦在自己题为《论动体的电动力学》这篇论文中提出的。

爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。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,并形成了自己独特的见解。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。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到:以太绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?

在此之前,牛顿力学中有两个质量,一个是惯性质量,是表征物体阻碍运动状态改变的一种内在属性,另一个是引力质量,其值越大所产生的引力作用就越大。而实验上对此二者测定的结果是,惯性质量与引力质量相等。这两种在不同场合下作用的属性却相等,让人吃惊,而牛顿无法解释其本质,认为只是一种巧合。但巧合往往隐含着巨大的秘密,而爱因斯坦洞悉到这一点,并对其进行了深入推敲。

  爱因斯坦1879年3月14日出生在德国的一个犹太人家庭。父亲是一个电器作坊的小业主,当爱因斯坦15岁时,父亲因企业倒闭带领全家迁往意大利谋生。

在此之前,传说物理学的时空观是静止的、机械的、绝对的,空间、时间、物质和物质运动相互独立,彼此没有什么内在联系。

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。19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。

真空中光速不变原理是开启狭义相对论的黄金钥匙,如今引力质量与惯性质量相等又为爱因斯坦指明了迈向广义相对论的方向。爱因斯坦曾如是说:“我为它的存在感到极为惊奇,并且猜想其中必有一把可以更深入了解惯性和引力的钥匙。”一旦将这一事实抽离为原理,可推得出引力与惯性力等效,那么万有引力就可以并入到运动体系中,通过引入合适的惯性系,从而消除引力的作用。

  1896年秋天,爱基斯坦就读于瑞士联邦高等工业学校。在学校里,除了数学课以外,他对其它讲得枯燥无味的课程都不感兴趣。但热衷于探索自然界的奥秘,对此他产生了浓厚的兴趣,利用课外时间阅读大量有关哲学和自然科学的书籍。

也就是说,物质只不过是孤立地处于空间的某一个位置,物质运动只是在虚无的、绝对的空间作位置移动,时间也是绝对的,它到处都是一样的,是独立于空间的不断流逝着的长流。这就是牛顿古典力学的时空观。

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。

等效何以见得?乘坐过垂直电梯的我们有过这样的感受,即电梯在加速上升时会“超重”,我们会感觉到有一股力量来牵拉着我们。对于电梯外的观察者会说电梯是一个加速运动的非惯性系,而对于电梯内的人来说,如果电梯正在以重力加速度g大小往上升的话,则这种感受跟受到地球的引力吸引没有任何差别。因此可以把一个加速运动的参照看做是一个处在引力场中静止的参照系。

  1900年,爱因斯坦从瑞士联邦高等工业学校毕业后,加入了瑞士国籍,长期找不到工作。两年后,他才在瑞士联邦专利局找到同科学研究无关的固定职业。但在专利局供职期间,他不顾工资低微的清贫生活,坚持不懈地利用业余时间进行科学研究,并不断取得成果。1905年,爱因斯坦在物理学方面的研究,取得突破性进展,创立了狭义相对论。这时他刚刚26岁。

爱因斯坦以极大的毅力和胆识,突破了传统物理学的束缚,猛烈地冲击形而上学的自然观。他认为,空间、时间、物质和物质运动,彼此不可分割,它们之间紧密相联。作为物质存在形式的空间和时间,在本质上是统一的,随着物质的运动而变化。

什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何测出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是无意义的。

如果事物间的物理意义、作用效果或物理规律是相同的,以至于它们之间可以相互替换,而不影响结论。这种不可分辨性则称为等效性。等效的本质往往是内在事物的不同外在表现。依托于引力与惯性力的等效原理,广义相对性原理就能获得实在的物理内容。

  相对论是爱因斯坦在自己题为《论动体的电动力学》这篇论文中提出的。在此之前,传说物理学的时空观是静止的、机械的、绝对的,空间、时间、物质和物质运动相互独立,彼此没有什么内在联系。也就是说,物质只不过是孤立地处于空间的某一个位置,物质运动只是在虚无的、绝对的空间作位置移动,时间也是绝对的,它到处都是一样的,是独立于空间的不断流逝着的长流。这就是牛顿古典力学的时空观。爱因斯坦以极大的毅力和胆识,突破了传统物理学的束缚,猛烈地冲击形而上学的自然观。他认为,空间、时间、物质和物质运动,彼此不可分割,它们之间紧密相联。作为物质存在形式的空间和时间,在本质上是统一的,随着物质的运动而变化。狭义相对论的最重要的结论之一,是关于质量和能量的关系(E=MC2)。它告诉我们,物质的质量是不固

光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速非无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。

再设想我们乘坐的宇宙飞船引擎坏了,此时我们正在某个星球表面坠落,在星球上的观察者发现飞船受星球引力正在加速下降,而飞船内的我们正处于失重状态,则毫无感觉,此时飞船内的一切跟在遥远外太空中的状态毫无差别。飞船依旧处于惯性系中,而狭义相对论的方程完全有效。造成这一“错觉”的正是因为引力与惯性力的等效,而此刻此两者相互抵消,故而才有惯性系的存在。这就联系了惯性系与非惯性系,从而使得狭义相对论能成功过渡到广义相对论。

  定的,运动的速度增加,质量也随着增加;一定质量的转化必定伴随着一定能量的转化,反之亦然。这个著名的公式成为原子弹、氢弹以及各种原子能应用的理论基础,由此而打开了原子时代的大门。

相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的,看不出相对论效应。

给大自然制定规则然后有条不紊地玩游戏,这一直是爱因斯坦的拿手好戏。这种被爱因斯坦称为原理性理论的方法,几乎是整个现代物理的不二法门。它的优越性是归纳法所不能相比的。

  狭义相对论的问世,震动了物理学界,也使这位年轻学者的名字,马上传遍了整个欧洲,给他带来了极高的声誉。德国著名的理论物理学家普朗克,向布拉格大学推荐爱因斯坦时说:“要对爱因斯坦理论作出中肯评价的话,那么可以把他比作20世纪的哥白尼。这也正是我所期望的评价。”

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。他并且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。

至于引力的本质,在广义相对论中,结合狭义相对论的闵氏四维时空和等效原理,使用黎曼几何和度规张量等数学,引入时空曲率,将引力等效为几何效应,这不仅成功地解释了惯性质量与引力质量相等的经验定律,还成功地解释了万有引力的本质。它足够的完美,物理图象上显得十足的简洁,至今它经受住了无数的考验,成为了当前宇宙学最好的理论工具。

  1911年,年仅32岁的爱因斯坦,被布拉格大学聘为教授,1913年,他重新回到德国,任柏林大学教授,并当选为普鲁士皇家科学院正式院士,不到4个月,第一次世界大战爆发了。

广义相对论的建立:

  爱因斯坦一向憎恶战争,主张民族和睦,公开发表反战宣言,同一位哲学家共同起草了《告欧洲人民书》,呼吁欧洲科学家应竭尽全力,尽快结束这场人类大屠杀。然而,却没有什么著名人士响应。在这段岁月里,爱因斯坦满腹愁肠,闭门不出,深入自己的科学研究。

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。

  在研究中,他发现狭义相对论的理论体系还不完善,它只解释了等速直线运动,而不能解释加速运动和万有引力的问题。因此,爱因斯坦又花了整整十年时间,于1915年又创立了广义相对论。

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。

  广义相对论的重要结论是,加速运动与引力场的运动是等价的,要区别是由惯性力或者引力所产生的运动是不可能的。对此,爱因斯坦作了一个形象的比喻。他设想有一个人乘摩天楼的电梯自由降落,人不会感到自己在下降,因为这时电梯和人都依照重力加速度定律在下降,仿佛在电梯里不存在地球引力。反之,如果电梯以不变的加速度上升,那么人在电梯里将觉得双脚紧贴在地板上,好象站在地球表面一样。这个等价原理是广义相对论的基础,它显示了等速运动的一些基本原理可以应用到加速度运动中,把狭义相对论推广到更为普通的情况。

在此期间,爱因斯坦在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。狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬,该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程,这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时,爱因斯坦正在接受完成广义相对论。

  爱因斯坦认为,光在引力场中不是沿着直线,而是沿着曲线传播。并指出,当从一个遥远的星球上发出的光在到达地球的途中经过太阳的时候,应当由于太阳的引力而弯曲,因此,而使这个星球看起来的位置与实际不符。其偏斜的弧度,据爱因斯坦计算,应当是1.75秒。因此建议,在下一次日全蚀时,通过天文观测来验证这个理论预见。

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。爱因斯坦并且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。

  1919年5月,英国一位天体物理学家率领两个天文考察队,拟定在日全蚀时分别在巴西和西非摄影,以验证从广义相对论推出的这一重要结论。同年11月,伦敦皇家学会和天文学会联席会议正式公布观测结果。测得的光线偏转度竟和爱因斯坦计算的非常一致。这下使牛顿的引力学说失去了普遍的意义。

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进动,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。

  这个消息公布后,全世界为之轰动,爱因斯坦的名字在社会上广为流传,几乎家喻户晓,科学爱们公认他是继伽里略、哥白尼以来最伟大的物理学家之一,是“20世纪的牛顿”。

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进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。

  1933年,德国法西斯头子希特勒上台后,加紧了对犹太人的迫害。爱因斯坦被迫迁居美国,任普林斯敦高级学校研究院教授,并于1940年取得美国国籍。

相对论的意义:

  1955年4月,爱因斯坦在普林斯敦病逝。这位伟大的科学家在他的遗嘱中,要求把他的骨灰撒在不为人知的地方。但他那献身科学的精神和充满光芒相对论学说,则永远激励着后人。

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,建立了局域惯性长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。

对于爱因斯坦引入的这些全新的概念,当时地球上大部分物理学家,其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹,都觉得难以接受。甚至有人说“当时全世界只有两个半人懂相对论”。旧的思想方法的障碍,使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉,就连瑞典皇家科学院,1922年把诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦时,也只是说“由于他对理论物理学的贡献,更由于他发现了光电效应的定律。”对爱因斯坦的诺贝尔物理学奖颁奖辞中竟然对于爱因斯坦的相对论只字未提。

E=mc^2

物质不灭定律,说的是物质的质量不灭;能量守恒定律,说的是物质的能量守恒。

虽然这两条伟大的定律相继被人们发现了,但是人们以为这是两个风马牛不相关的定律,各自说明了不同的自然规律。甚至有人以为,物质不灭定律是一条化学定律,能量守恒定律是一条物理定律,它们分属于不同的科学范畴。

爱因斯坦认为,物质的质量是惯性的量度,能量是运动的量度;能量与质量并不是彼此孤立的,而是互相联系的,不可分割的。物体质量的改变,会使能量发生相应的改变;而物体能量的改变,也会使质量发生相应的改变。

在狭义相对论中,爱因斯坦提出了著名的质能公式:E=mc^2 (这里的E代表物体的能量,m代表物体的质量,c代表光的速度,即3×10^8m/s)。

爱因斯坦的理论,最初受到许多人的反对,就连当时一些著名物理学家也对这位年青人的论文表示怀疑。然而,随着科学的发展,大量的科学实验证明爱因斯坦的理论是正确的,爱因斯坦才一跃而成为世界著名的科学家,成为20世纪世界最伟大的科学家。

爱因斯坦的质能关系公式,正确地解释了各种原子核反应:就拿氦4来说,它的原子核是由2个质子和2个中子组成的。照理,氦4原子核的质量就等于2个质子和2个中子质量之和。实际上,这样的算术并不成立,氦核的质量比2个质子、2个中子质量之和少了0.0302原子质量单位[57]!这是为什么呢?因为当2个氘[dao]核(每个氘核都含有1个质子、1个中子)聚合成1个氦4原子核时,释放出大量的原子能。生成1克氦4原子时,大约放出2.7×10^12焦耳的原子能。正因为这样,氦4原子核的质量减少了。

这个例子生动地说明:在2个氘原子核聚合成1个氦4原子核时,似乎质量并不守恒,也就是氦4原子核的质量并不等于2个氘核质量之和。然而,用质能关系公式计算,氦4原子核失去的质量,恰巧等于因反应时释放出原子能而减少的质量!

这样一来,爱因斯坦就从更新的高度,阐明了物质不灭定律和能量守恒定律的实质,指出了两条定律之间的密切关系,使人类对大自然的认识又深了一步。

光电效应

光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric effect)。

光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应,爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位所组成。

光电效应里,电子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直于金属表面射出,与光照方向无关 ,光是电磁波,但是光是高频震荡的正交电磁场,振幅很小,不会对电子射出方向产生影响。

1905年,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖。

“上帝不掷骰子”

爱因斯坦曾经是量子力学的催生者之一,但是他不满意量子力学的后续发展,爱因斯坦始终认为“量子力学(以玻恩为首的哥本哈根诠释:“基本上,量子系统的描述是机率的。一个事件的机率是波函数的绝对值平方。”)不完整”,但苦于没有好的解说样板,也就有了著名的“上帝不掷骰子”的否定式呐喊!其实,爱因斯坦的直觉是对的,决定论的量子诠释才是“量子论诠释”的本真、根源。爱因斯坦到过世前都没有接受量子力学是一个完备的理论。爱因斯坦还有另一个名言:“月亮是否只在你看着他的时候才存在?”

宇宙常数

爱因斯坦在提出相对论的时候,曾将宇宙常数(为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在﹐他在引力场方程中引进一个与度规张量成比例的项﹐用符号Λ 表示。该比例常数很小﹐在银河系尺度范围可忽略不计。只在宇宙尺度下﹐Λ 才可能有意义﹐所以叫作宇宙常数。即所谓的反引力的固定数值)代入他的方程。他认为,有一种反引力,能与引力平衡,促使宇宙有限而静态。当哈勃得意洋洋的在天文望远镜展示给爱因斯坦看时,爱因斯坦惭愧极了,他说:“这是我一生所犯下的最大错误。”宇宙是膨胀着的!哈勃等认为,反引力是不存在的,由于星系间的引力,促使膨胀速度越来越慢。

那么,爱因斯坦就完全错了吗?不。星系间有一种扭旋的力,促使宇宙不断膨胀,即暗能量。70亿年前,它们“战胜”了暗物质,成为宇宙的主宰。最新研究表明,按质量成份(只算实质量,不算虚物质)计算,暗物质和暗能量约占宇宙96%。看来,宇宙将不断加速膨胀,直至解体死亡。(目前也有其它说法,争议不休)。宇宙常数虽存在,但反引力的值远超过引力。也难怪这位倔强的物理学家与波尔在量子力学的争论:“上帝是不掷骰子的!”(不要指挥上帝如何决定宇宙的命运) 林德饶有风趣的说:“现在,我终于明白,为什么他这么喜欢这个理论,多年后依然研究宇宙常数,宇宙常数依然是当今物理学最大的疑问之一。”

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