爱因斯坦的成就

爱因斯坦

20世纪最伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦1879年3月14日出生在德国西南的乌耳姆城，一年后随全家迁居慕尼黑。爱因斯坦小时候并不活泼，三岁多还不会讲话，可是直到九岁时讲话还不很通畅，所讲的每一句话都必须经过吃力但认真的思考。

1905年的奇迹

1905年，爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例奇迹。这一年他写了六篇论文，在三月到九月这半年中，利用在专利局每天八小时工作以外的业余时间，在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献，他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论这四篇重要论文。

1921年，爱因斯坦因为“光电效应定律的发现”这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。

成功的秘诀

有一次，一个美国记者问爱因斯坦关于他成功的秘决。他回答：“早在1901年，我还是二十二岁的青年时，我已经发现了成功的公式。我可以把这公式的秘密告诉你，那就是A=X+Y+Z! A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！这公式对我有用，我想对许多人也是一样有用。”

科学成就的第二个高峰

在1915年到1917年的3年中，是爱因斯坦科学成就的第二个高峰，类似于1905年，他也在三个不同领域中分别取得了历史性的成就。除了1915年最后建成了被公认为人类思想史中最伟大的成就之一的广义相对论以外，1916年在辐射量子方面提出引力波理论，1917年又开创了现代宇宙学。

最伟大的科学家的风格

爱因斯坦因为在科学上的成就，获得了许多奖状以及名誉博士的授予证书。如果一般人就会把这些东西高高挂起。可是爱因斯坦把以上的东西，包括诺贝尔奖奖状一起乱七八糟地放在一个箱子里，看也不看一眼。英费尔德说他有时觉得爱因斯坦可能连诺贝尔奖是什么意义都不知道。据说他在得奖的那一天，脸上和平日一样平静，没有显出特别高兴或兴奋。

主要是在物理方面：
1、光电效应
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。
光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电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(即光子或光量子)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。
广义相对论，狭义相对论，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代表能量，m代表多少质量，c代表光的速度，近似值为3×10^8m/s，这说明能量可以用减少质量的方法创造！）。 发表量子论，提出光量子假说，解决了光电效应问题，总结量子论的发展，提出受激辐射理论。发现了康普顿效应，解决了光子概念中长期存在的矛盾。第一次推测量子效应可能来自过度约束的广义相对论场方程。 从统计涨落的分析中得出一个波和物质缔合的独立的论证。此时，还发现了波色—爱因斯坦凝聚。
广义相对论，狭义相对论，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代表能量，m代表多少质量，c代表光的速度，近似值为3×10^8m/s，这说明能量可以用减少质量的方法创造！）。 发表量子论，提出光量子假说，解决了光电效应问题，总结量子论的发展，提出受激辐射理论。发现了康普顿效应，解决了光子概念中长期存在的矛盾。第一次推测量子效应可能来自过度约束的广义相对论场方程。 从统计涨落的分析中得出一个波和物质缔合的独立的论证。此时，还发现了波色—爱因斯坦凝聚。

爱因斯坦的成就；

1905年，爱因斯坦在科学史上创造了一个无先例的奇迹。这一年他写了6篇论文，在3月到9月这半年中，利用在专利局每天8小时工作以外的时间，在三个领域作出了四个有划时代意义的贡献。分别是：

（1）光量子论，提出光量子假说。

（2) 分子运动理论，1905年4月、5月、12月他发表了三篇有关布朗运动的论文，为解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题做出了突出贡献。

（3) 创立狭义相对论

爱因斯坦写了一篇开创物理学纪元的长论文《论动体的电动力学》，完整地提出

狭义相对性理论。这是他10年酝酿和探索的结果，它在很大程度上解决了19世纪末出现的古典物理学的危机，推动了整个物理学理论的革命。

(4)质能相当性

1905年9月，爱因斯坦写了一篇短文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，作为相对论的一个推论，揭示了质量(m)和能量(E)的相当性：E=mc2，并由此解释了放射性元素（如镭）所以能释放出大量能量的原因。质能相当性是原子核物理学和粒子物理学的理论基础，也为40年实现的核能的释放和利用开辟了道路。

爱因斯坦的生平；
100年前，26岁的天才物理学家爱因斯坦，一口气完成了6篇具有划时代意义的论文，包括现代物理学中三项伟大的成就：分子运动论、狭义相对论和光量子假说，影响了百年来的物理发展。这一年被称为“奇迹年”。 在这一“奇迹年”100周年来临之际，全球物理学界一致呼吁2005年为“世界物理年”。该倡议由欧洲物理学会首先提出，得到国际纯粹与应用物理联合会的一致通过。2004年6月，联合国大会第58次会议通过决议，确立2005年为“国际物理年”。2005年全球物理学界将组织一系列活动，纪念相对论诞生100周年，纪念爱因斯坦逝世50周年。 “奇迹”，似乎是指某种超自然力量的现象或事件，应该与立足于实证基础上的科学相互对立。但是在科学史上，却有个年代因为集中出现了某个天才人物一系列的惊人智慧之果，而被称之为“奇迹年”。 这就是1905年。在这一年，在伯尔尼瑞士专利局工作的26岁的天才物理学家爱因斯坦，在不到1年的时间里一口气完成了6篇具有划时代意义的物理学论文，其中5篇于当年、另一篇于次年发表在当时国际物理学界声望最高的《物理学杂志》上。这6篇论文在现代物理学的3个不同领域作出了4项划时代的伟大贡献，创造了科学史也是人类历史上的奇迹，影响了百年来的物理发展。这一年被称之为“奇迹年”。 发表在1905年的5篇论文分别是： 1、《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，讨论了光量子以及光电效应； 2、《分子大小的新测定》，推导出计算扩散速度的数学公式； 3、《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》，提供了原子确实存在的证明； 4、《论动体的电动力学》，提出时空关系新理论，被称为“狭义相对论”； 5、《物体的惯性是否决定其内能》，建立在狭义相对论基础上，表明质量和能量可互换，后来推出最著名的科学方程：E=mc2。 过去的物理学都以牛顿的理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者没有任何直接联系。似乎宇宙间

存在着一个永远走动着的大钟，在任何情况下，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准。 爱因斯坦于1905年提出的狭义相对论则认为：物体运动时，质量会随着物体运动速度的增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即还会发生尺缩效应和钟慢效应。狭义相对论和光速不变原理的提出，打破了传统的绝对时空观，指出了时间、空间和物体的质量不是绝对不变的，而是随着物体的运动而发生变化。爱因斯坦的狭义相对论，在我们的日常生活中是很难理解的，因为我们日常接触的都是远远小于光速的运动，根本无法察觉到爱因斯坦相对论所描述的相对论效应：长度变短、时钟变慢。但如果接近光速的运动能变成现实的话，一个以这样速度运动的人，在另一个静止的观察者看来就可能只是一条线。另外还会出现这样的景象：一个人坐上光子火箭，以接近光速的高速度去做星际航行。一年后他回来了，发现儿子已经是白发苍苍的老人，而自己还是那样年轻。中国古代传说中的“天上方一日，人间已一年”就可用相对论得到解释。 相对论的提出从根本上改变了物理学的面貌。它否定了经典力学的绝对时空论，推倒了牛顿力学的质量守恒、能量守恒、质量能量互不相关、时空永恒不变的基本命题，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性，即揭示了时空的可变性、时空变化的联系性，树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。这是一场真正的科学革命

爱因斯坦的相对论；
爱因斯坦一生中最重要的贡献是相对论。１９０５年他发表了题为《论动体的电动力
学》的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。这一理论把牛顿
力学作为低速运动理论的特殊情形包括在内。它揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本
质上的统一性，深刻揭露了力学运动和电磁运动在运动学上的统一性，而且还进一步揭示了
物质和运动的统一性（质量和能量的相当性），发展了物质和运动不可分割原理，并且为原
子能的利用奠定了理论基础。随后，经过多年的艰苦努力，１９１５年他又建立了广义相对
论，进一步揭示了四维空时同物质的统一关系，指出空时不可能离开物质而独立存在，空间
的结构和性质取决于物质的分布，它并不是平坦的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。根
据广义相对论的引力论，他推断光在引力场中不沿着直线而会沿着曲线传播。这一理

论预
见，在１９１９年由英国天文学家在日蚀观察中得到证实，当时全世界都为之轰动。１９３
８年，他在广义相对论的运动问题上取得重大进展，即从场方程推导出物体运动方程，由此
更深一步地揭示了空时、物质、运动和引力之间的统一性。广义相对论和引力论的研究，６
０年代以来，由于实验技术和天文学的巨大发展受到重视。

狭义相对论简介


全部狭义相对论主要基于爱因斯坦对宇宙本性的两个假设。
第一个可以这样陈述： 所有惯性参照系中的物理规律是相同的。
此处唯一稍有些难懂的地方是所谓的“惯性参照系”。举几个例子就可以解释清楚：——
假设你正在一架飞机上，飞机水平地以每小时几百英里的恒定速度飞行，没有任何颠簸。一个人从机舱那边走过来，说：“把你的那袋花生扔过来好吗？”你抓起花生袋，但突然停了下来，想道：“我正坐在一架以每小时几百英里速度飞行的飞机上，我该用多大的劲扔这袋花生，才能使它到达那个人手上呢？”
不，你根本不用考虑这个问题，你只需要用与你在机场时相同的动作（和力气）投掷就行。花生的运动同飞机停在地面时一样。
你看，如果飞机以恒定的速度沿直线飞行，控制物体运动的自然法则与飞机静止时是一样的。我们称飞机内部为一个惯性参照系。（“惯性”一词原指牛顿第一运动定律。惯性是每个物体所固有的当没有外力作用时保持静止或匀速直线运动的属性。惯性参照系是一系列此规律成立的参照系。
另一个例子。让我们考查大地本身。地球的周长约40，000公里。由于地球每24小时自转一周，地球赤道上的一点实际上正以每小时1600公里的速度向东移动。然而我敢打赌说Steve Young在向Jerry Rice（二人都是橄榄球运动员。译者注）触地传球的时候，从未对此担心过。这是因为大地在作近似的匀速直线运动，地球表面几乎就是一个惯性参照系。因此它的运动对其他物体的影响很小，所有物体的运动都表现得如同地球处于静止状态一样。
实际上，除非我们意识到地球在转，否则有些现象会是十分费解的。（即，地球不是在沿直线运动，而是绕地轴作一个大的圆周运动）
例如：天气（变化）的许多方面都显得完全违反物理规律，除非我们对此（地球在转）加以考虑。另一个例子。远程炮弹并非象他们在惯性系中那样沿直线运动，而是略向右（在北半球）或向左（在南半球）偏。（室外运动的高尔夫球手们，这可不能用于解释你们的擦边球）对于大多数研究目的而言，我们可以将地球视为惯性参照系。但偶尔，它的非惯性表征将非常严重（我想把话

说得严密一些）。
这里有一个最低限度：惯性系是一个静止或作匀速直线运动的系。爱因斯坦的第一假设使此类系中所有的物理规律都保持不变。运动的飞机和地球表面的例子只是用以向你解释这是一个平日里人们想都不用想就能作出的合理假设。谁说爱因斯坦是天才？

广义相对论

在开始阅读本短文并了解广义相对论的关键特点之前，我们必须假定一件事情：狭义相对论是正确的。这也就是说，广义相对论是基于狭义相对论的。如果后者被证明是错误的，整个理论的大厦都将垮塌。
为了理解广义相对论，我们必须明确质量在经典力学中是如何定义的。
质量的两种不同表述：
首先，让我们思考一下质量在日常生活中代表什么。"它是重量"？事实上，我们认为质量是某种可称量的东西，正如我们是这样度量它的：我们把需要测出其质量的物体放在一架天平上。我们这样做是利用了质量的什么性质呢？是地球和被测物体相互吸引的事实。这种质量被称作"引力质量"。我们称它为"引力的"是因为它决定了宇宙中所有星星和恒星的运行：地球和太阳间的引力质量驱使地球围绕后者作近乎圆形的环绕运动。
现在，试着在一个平面上推你的汽车。你不能否认你的汽车强烈地反抗着你要给它的加速度。这是因为你的汽车有一个非常大的质量。移动轻的物体要比移动重的物体轻松。质量也可以用另一种方式定义："它反抗加速度"。这种质量被称作"惯性质量"。
因此我们得出这个结论：我们可以用两种方法度量质量。要么我们称它的重量（非常简单），要么我们测量它对加速度的抵抗（使用牛顿定律）。
人们做了许多实验以测量同一物体的惯性质量和引力质量。所有的实验结果都得出同一结论：惯性质量等于引力质量。
牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反，爱因斯坦发现这种等同性中存在着一条取代牛顿理论的通道。
日常经验验证了这一等同性：两个物体（一轻一重）会以相同的速度"下落"。然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会"落"得更快呢？因为它对加速度的抵抗更强。结论是，引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。重要的是你应该明白，引力场中所有的物体"以同一速度下落"是（经典力学中）惯性质量和引力质量等同的结果。
现在我们关注一下"下落"这个表述。物体"下落"是由于地球的引力质量产生了地球的引力场。两个物体在所有相同的引力场中的速度相同。不论是月亮的

还是太阳的，它们以相同的比率被加速。这就是说它们的速度在每秒钟内的增量相同。（加速度是速度每秒的增加值）
引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设
爱因斯坦一直在寻找"引力质量与惯性质量相等"的解释。为了这个目标，他作出了被称作"等同原理"的第三假设。它说明：如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速，那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它（该惯性系）是静止的。
让我们来考查一个惯性系K'，它有一个相对于伽利略系的均匀加速运动。在K 和K'周围有许多物体。此物体相对于K是静止的。因此这些物体相对于K'有一个相同的加速运动。这个加速度对所有的物体都是相同的，并且与K'相对于K的加速度方向相反。我们说过，在一个引力场中所有物体的加速度的大小都是相同的，因此其效果等同于K'是静止的并且存在一个均匀的引力场。
因此如果我们确立等同原理，两个物体的质量相等只是它的一个简单推论。 这就是为什么（质量）等同是支持等同原理的一个重要论据。
通过假定K'静止且引力场存在，我们将K'理解为一个伽利略系，（这样我们就可以）在其中研究力学规律。由此爱因斯坦确立了他的第四个原理。

爱因斯坦第四假设
爱因斯坦的第四假设是其第一假设的推广。它可以这样表述：自然法则在所有的系中都是相同的。不可否认，宣称所有系中的自然规律都是相同的比称只有在伽利略系中自然规律相同听起来更"自然"。但是我们不知道（外部）是否存在一个伽利略系。
这个原理被称作"广义相对论原理"
死亡电梯
让我们假想一个在摩天大楼内部自由下落的电梯，里面有一个蠢人。 这人让他的表和手绢同时落下。会发生什么呢？对于一个电梯外以地球为参照系的人来说，表、手绢、人和电梯正以完全一致的速度下落。（让我们复习一下：依据等同性原理，引力场中物体的运动不依赖于它的质量。）所以表和地板，手绢和地板，人和表，人和手绢的距离固定不变。因此对于电梯里的人而言，表和手绢将呆在他刚才扔它们的地方。
如果这人给他的手表或他的手绢一个特定的速度，它们将以恒定的速度沿直线运动。电梯表现得象一个伽利略系。然而，这不会永远持续下去。迟早电梯都会撞碎，电梯外的观察者将去参加一个意外事故的葬礼。
现在我们来做第二个理想化的试验：我们的电梯原离任何大质量的物体。比如，正在宇宙深处。我们的大蠢蛋从上次事故中逃生。他在医院呆了几年后，决定重返电梯。突然一个生物开始拖动这个电梯。经典力学

告诉我们：恒力将产生恒定的加速度。（对于非常高速的情况这条规律不适用。因为一个物体的质量随速度增加而增大。在我们这个试验中我们假定它是正确的。）由此，电梯在伽利略系中将有一个加速运动。
我们的天才傻瓜呆在电梯里让他的手绢和手表下落。电梯外伽利略系中的人认为手表和手绢会撞到地板上。这是由于地板因其加速度而向它们（手绢和手表）撞过来。事实上，电梯外的人将会发现表和地板以及手绢和地板间的距离以相同的速率在减小。另一方面，电梯里的人会注意到他的手表和手绢有相同的加速度，他会把这归因于引力场。
这两种解释看起来似乎一样：一边是一个加速运动，另一边是一致的运动和引力场。
让我们再做一个实验来证明引力场的存在。一束光通过窗户射在对面的墙上。我们的两位观察者是这样解释的：
在电梯外的人告诉我们：光通过窗户以恒定的速度（当然了！）沿一条直线水平地射进电梯，照在对面的墙上。但由于电梯正在向上运动，所以光线的照射点应在此入射点稍下的位置上。
电梯里的人说：我们处于引力场中。由于光没有质量，它不会受引力场的影响，它会恰好落在入射点正对的点上。
噢！问题出现了。两个观察者的意见不一致。然而在电梯里的人犯了个错误。他说光没有质量，但光有能量，而能量有一个质量（记住一焦耳能量的质量是：M=E/C2）因此光将有一个向地板弯曲的轨迹，正象外部的观察者所说的那样。
由于能量的质量极小（C2＝300，000，000×300，000，000），这种现象只能在非常强的引力场附近被观察到。这已经被证实：由于太阳的巨大质量，光线在靠近太阳时会发生弯曲。这个试验是爱因斯坦理论（广义相对论）的首次实证。
从所有这些实验中我们得出结论：通过引入一个引力场我们可以把一个加速系视为伽利略系。将其引伸，我们认为它对所有的运动都适用，不论它们是旋转的（向心力被解释为引力场）还是不均匀加速运动（对不满足黎曼（Riemann）条件的引力场通过数学方法加以转换）。你看，广义相对论与实践处处吻合。