爱因斯坦相对论

爱因斯坦和他的相对论
应用化学 吴孟强
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爱因斯坦（1879－1955）
美籍德国犹太人。他创立了代 表现代科学的相对论，并为核能开发 奠定了理论基础，在现代科学技术和 它的深刻影响及广泛应用方面开创了 现代科学新纪元，被公认为自伽利略、 牛顿以来最伟大的科学家、思想家。 1921年诺贝尔物理学奖获得者。现 代物理学的开创者和奠基人，相对 论——“质能关系”的提出者，“决 定论量子力学诠释”的捍卫者（振动 的粒子）——不掷骰子的上帝。 1999年12月26日，爱因斯坦被美国 《时代周刊》评选为“世纪伟人”。
第一、爱因斯坦用广义相对论解决了 长期悬而未解的水星近日点附加进动问题， 计算结果与观测符合得很好； 第二、预言了光线在太阳引力场中 会弯曲； 第三、预言恒星发出的光谱谱线由于强大 引力的作用会使其波长变长，也就是发生引力 红移。
广义相对论的证明
1919年5月英国天文学家、物理 学家爱丁顿和戴森分别奔赴非洲西 海岸的普林西比岛和巴西的索贝瑞 尔并在29日进行了日全食观测。11 月6日，戴森在英国皇家学会和皇家 天文学会联席会议上郑重宣布：得 到证实的是爱因斯坦而不是牛顿所 预言的结果。他称赞道“这是人类 思想史上最伟大的成就之一。爱因 斯坦发现的不是一个小岛，而是整 整一个科学思想的新大陆。” 消息 传遍全世界，爱因斯坦成了举世瞩 目的名人。广义相对论也被提高到 神话般受人敬仰的宝座。
对爱因斯坦引入的这些全新的概 念，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。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年把诺贝尔奖金授予 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。”对于相对论只字未 提。
1921年的爱因斯坦
(1905年)
狭义相对论
相对论
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。
以几何语言建立而成的 引力理论，统合了狭义 广义相对论 相对论和牛顿的万有引 力定律，将引力改描述 (1915年) 成因时空中的物质与能 量而弯曲的时空，以取 代传统对于引力是一种 力的看法。
广义相对论的提出
1915年11月25日， 爱因斯坦把题为“万有 引力方程”的论文提交 给了柏林的普鲁士科学 院，完整地论述了广义 相对论。在这篇文章中 他不仅解释了天文观测 中发现的水星轨道近日 点移动之谜，而且还预 言：星光经过太阳会发 生偏折，偏折角度相当 于牛顿理论所预言的数 值的两倍。
四维弯曲时空
智商160
“你和一个漂亮姑娘在公 园长椅上坐一小时，觉得 只过了一分钟；你紧挨着 一个火炉坐一分钟，却觉 得过了一小时。这就是相 对论。”
“爱因斯坦奇迹 年” 在1905年爱因斯坦发表了6篇划
时代的论文，分别为： 1.《关于光 的产生和转化的一个试探性观点》 2.《分子大小的新测定方法》 3.《热的分子运动论所要求的静液 体中悬浮粒子的运动》 4.《论动体的电动力学》：首次提 出了狭义相对论基本原理，论文中 提出了两个基本公理：“光速不 变”，以及“相对性原理”。 5.《物体的惯性同它所含的能量有 关吗？》 6.《布朗运动的一些检视》 这一年成为经典物理学与现代 物理学分水岭。
狭义相对论
爱因斯坦的相对论认 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（与光速相比）， 看不出相对论效应。
狭义相对论的证明
1966年，科学家 在实验中测得μ子绕 圆形轨道高速运动时， 其平均寿命比在地面 上静止的μ子的平均 寿命长。1971年，科 学家们又观察到了放 在卫星上绕地球旋转 的原子钟比地面上的 原子钟走的慢得多的 现象。这些实验证明 了狭义相对论的正确 性，同时也就间接解 释了“双生子佯谬” 这个问题。
佯谬问题
时钟双生子佯谬:相对论诞生 后，曾经有一个令人极感兴趣的 疑难问题——双生子佯谬。一对 双生子甲和乙，乙在地球上，甲 乘火箭去做星际旅行，经过漫长 岁月返回地球。爱因斯坦由相对 论断言，二人经历的时间不同， 重逢时甲将比乙年轻。比如在这 一对孪生兄弟20岁时，甲乘飞船 作太空飞行，甲认为飞行时间只 有一年，在其返回地面时，甲只 有21岁，但他却发现乙却已成了 90多岁的老人了，亦即乙比甲年 老了许多。
广义相对论的证明
由于地球公转引起太阳在 天球上的视位置有一个周年运 动，即每天的同一时刻太阳在 星空背景上的视位置都不同， 要移动差不多一度，全年正好 移动一周。所以，白天出现在 太阳背后的星空，几个月前或 几个月后，将在夜间出现。因 此在几个月后可以拍下日食时 观测的天区。对比日食时拍下 的太阳背后的星空和太阳不存 在时的同一星空照片，就可以 测量出恒星位置的偏离。
广义相对论
由于牛顿定律给狭 义相对论提出了困难， 即任何空间位置的任何 物体都要受到力的作用。 因此，在整个宇宙中不 存在惯性观测者。爱因 斯坦为了解决这一问题 又提出了广义相对论。
广 义 相 对 论
引力波
有限无边宇宙
大爆炸宇宙学说
引力透镜 黑洞
为了证明广义相对论的正确，爱因斯坦 求助于天文学观测，提出了三个可以用天文 学观测来验证的广义相对论效应。
狭义相对论的副产品
狭义相对论最著名的推论是 质能公式——E=mc2，它说明了 质量随能量的增加而增加。它也 可以用来解释核反应所释放的巨 大能量，但它不是导致原子弹的 诞生的原因。
狭义与广义相对论的分野
目前一般认为，狭义与广义 相对论的区别在于所讨论的问题 是否涉及引力（弯曲时空），即 狭义相对论只涉及那些没有引力 作用或者引力作用可以忽略的问 题，而广义相对论则是讨论有引 力作用时的物理学的。用相对论 的语言来说，就是狭义相对论的 背景时空是平直的，即四维平凡 流型配以闵氏度规，其曲率张量 为零，又称闵氏时空；而广义相 对论的背景时空则是弯曲的，其 曲率张量不为零。