爱因斯坦的巨大贡献

爱因斯坦的巨大贡献

姓名：张剑

学号：080602147

专业：网络工程

班级：08网络工程1班

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‖。

建立相对论是爱因斯坦一生最伟大的成就，1900年前后，在人们头脑中“以太”观念占统治地位，大家都认为光波(电磁波)是以太的弹性振动,麦克斯韦(J. CMaxwell)就是从以太的弹性理论导出他的著名的电磁方程组的。一个需要弄清的问题是,地球相对于以太是否运动? 那时候哥白尼的日心说和牛顿的绝对时空观都已被普遍接受。地球不是宇宙的中心,不应该相对于绝对空间静止。比较合理的想法是:以太相对于绝对空间静止,地球相对于以太(即相对于绝对空间)运动。天文学的光行差现象(1728, 1810)支持这一观点。 但是,精密的迈克尔逊(A. Michelson, 1881,1887)实验却没有测到这一运动。另外,法国人斐索(A. H. Fizeau, 1851)的流水实验表明:运动介质似乎会部分地带动以太,但又不全带动,即地球相对于以太似乎有一定程度的运动。斐索实验也与光行差现象矛盾。当时物理界的大多数人注意的是迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾,而爱因斯坦主要注意的是斐索实验与光行差现象的矛盾。总之,大家都觉得以太理论出现了矛盾。洛伦兹(H. A. Lorentz, 1892)和斐兹杰惹(G ·F ·Fitzgerad, 1889, 1893)各自独立地注意到,如果假定刚尺在相对以太(绝对空间)运动的方向上会有如下的长度收缩(洛伦兹收缩)：

/ (2) 则迈克尔逊实验将测不出地球相对以太的运动速度(他们认为这一速度“实际是存在的”, 只是测不出而已) ,这样,迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾就可以消除。 式中v 是刚尺相对以太的运动速度, c 是光速,0l 是刚尺静止时的长度, l 则是刚尺相对以太运动时的长度。 洛伦兹注意到,从当时公认的伽利略变换：

=x –vt (3)

(3)不仅推不出(2)式,而且不能使麦克斯韦方程组在此变换下不变。 洛伦兹1904年给出了一个新的惯性系之间的变换关系：

= ， =y ，=z ，= (4) 此关系可以使麦克斯韦电磁理论在坐标变换下不变,而且可以推出洛伦兹收缩的公式

(2) 。变换(4)称为洛伦兹变换,此外, 在一些特殊的情况下,质量公式： m= (5)

和质能关系式：

2

mc

E (6)

均已有人给出。但是,首先正确阐述相对论,认识到它是一个时空理论,并给出完整理论体系和上述全部结论的是爱因斯坦,而不是别人。这是因为,只有爱因斯坦在两个基本观念(“相对性原理”和“光速的绝对性”)上同时实现了突破。“光速不变原理”不仅是说真空中的光速均匀各向同性,是一个常数c,更重要的是说在任何惯性系中测量,真空中的光速都是同一个常数c。按照人们的日常观念,如果相对于光源静止的观测者测得的光速是c,那么以速度v向着光源运动的观测者测到的光速将是(c + v) 。而以速度v背离光源运动的观测者测到的光速将是(c - v) 。爱因斯坦提出的“光速不变原理”则是说,上述3个观测者测得的光速都是同一值c。也就是说,在爱因斯坦看来,光速是绝对的,对任何观测者都一样,与光源相对于观测者的运动无关。爱因斯坦能够从纷乱的理论探讨和实验资料中,认识到应该把光速看作绝对的,并毅然提出这一全新的观念,是极其难能可贵的。

爱因斯坦以“相对性原理”和“光速的绝对性”(“光速不变原理”)为基石,建立起狭义相对论的理论体系,并得到大量重要的让人难以理解的结论。其中,他指出“同时”不是一个绝对的概念,而是一个相对的概念,也是观念上的重要突破。在此之前,人们早已认识到两个事件是否发生在同一地点,对不同观测者会有不同的结论,即“同地”是一个相对的概念。但两个事件是否同时发生,则都认为是一个绝对的概念,即任何观测者都会有相同的结论。爱因斯坦突破了这一观念,指出“同时”也是相对的,只不过我们通常接触到的参考系,运动速度较小,“同时的相对性”不明显。当运动速度接近光速时,“同时的相对性”将明显地表现出来。在认识到“同时的相对性”之后,“动钟变慢”、“动尺缩短(洛伦兹收缩) ”等效应就会变得比较容易理解。

爱因斯坦提出相对论的划时代论文,充满了难懂的革命性的新思想, 而只用了当时大学本科生就能看懂的数学工具,并且没有引用任何参考文献。如果放在今天,这样的文章恐怕很难通过审稿。一般的审稿人不是看不懂其中的物理内容,就是会轻视作者的数学水平,或者因作者不引文献而误认为文章的内容跟不上世界潮流,显得没有水平。爱因斯坦很幸运,这篇文章被送给水平高、思想活跃而又不压制年轻人的普朗克审稿,一下就被推荐发表在德国的物理年鉴上。此后,他又连续发表几篇论文,建立起狭义相对论的全部框架。

相对论(狭义相对论)发表之后,爱因斯坦很快认识到自己的理论有两个严重因难。牛顿把惯性系定义为相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系,相对论不承认有绝对空间,这就给惯性系的定义造成了困难。整个相对论建立在惯性系的基础上,惯性系却无法定义,理论的基石出现了问题。此外,虽然电磁理论与相对论相容,万有引力却纳不进相对论的框架。当时只知道这两种力,其中一种力的理论就与相对论有矛盾,此困难之严重可想而知。不过,当时只有爱因斯坦一个人认识到了上述困难,其余人都在忙着理解相对论本身。爱因斯坦单枪匹马地展开了对这两个困难的研究。几年之后他就认识到不应就事论事,而应该独辟蹊径。在几经考虑之后,他决定不去勉强定义惯性系,而是暂时躲开这一因难,他决定取消惯性系在物理理论中的特殊地位,把相对性原理(物理规律在所有惯性系中都相同)推广为“广义相对性原理”,物理规律在所有参考系(包括惯性系和非惯性系)中都相同。这样,就可以不必定义惯性系,也就躲开了这一困难。但是,非惯性系中有惯性力,如何处理惯性力呢? 他很快从马赫对水桶实验的讨论得到启发,认识到引力与惯性力可能有相同的起源(马赫原理)。在用牛顿理论对伽利略的自由落体实验进行分析之后,他悟出了等效原理(引力场与惯性场局域不可区分)。最重大的突破在于他猜出了万有引力不是真正的力,而是一种几何效应。把物理规律的本质看作几何,这是任何其他人完全想不到的事情。他猜测物质的存在会引起时空的弯曲,万有引力正是时空弯曲的表现。他基本上独自一个人完成了新理论的构建。他把新理论看作相对论的推广,命名为广义相对论,此后就把原来洛伦兹命名的那部分相对论称为