關(guān)與科學(xué)家的事跡

【專家解說】：艾伯特·愛因斯坦于1879年3月14日德國小城烏爾姆出生父母都猶太人愛因斯坦有幸福童年父親位平靜、溫順好心人愛好文學(xué)和數(shù)學(xué)母親性較強(qiáng)喜愛音樂并影響了愛因斯坦愛因斯坦從六歲起學(xué)小提琴從此小提琴成終生伴侶愛因斯坦父母對有著良好影響和家庭教育家彌漫著自由精神和祥和氣氛 和牛頓樣愛因斯坦年幼時(shí)也未顯出智力超群相反了四歲多還會說家里人甚至擔(dān)心低能兒六歲時(shí)進(jìn)入了國民學(xué)校十分沉靜孩子喜歡玩些需要耐心和堅(jiān)韌游戲例用紙片搭房子1888年進(jìn)入了學(xué)學(xué)業(yè)也突出除了數(shù)學(xué)好外其功課都樣尤其拉丁文和希臘文對古典語言毫無興趣當(dāng)時(shí)德國學(xué)校必須接受宗教教育開始時(shí)愛因斯坦非常認(rèn)真當(dāng)讀了通俗科學(xué)書籍認(rèn)識宗教里有許多故事真實(shí)12歲時(shí)放棄了對宗教信仰并對所有權(quán)威和社會環(huán)境信念產(chǎn)生了懷疑并發(fā)展成種自由思想愛因斯坦發(fā)現(xiàn)周圍有巨大自世界離開人類獨(dú)立存象永恒謎看許多非常尊敬和欽佩人專心從事項(xiàng)事業(yè)時(shí)找了內(nèi)心自由和安寧于少年時(shí)代愛因斯坦選擇了科學(xué)事業(yè)希望掌握自世界奧秘而旦選擇了道路堅(jiān)持懈地走了下去從來沒有悔過 1895年愛因斯坦來瑞士蘇黎世準(zhǔn)備投考蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)雖數(shù)學(xué)和物理考得錯其科目沒有考好學(xué)校校長推薦去瑞士阿勞州立學(xué)學(xué)習(xí)年補(bǔ)齊功課阿勞州立學(xué)段時(shí)光使愛因斯坦感快樂嘗了瑞士自由空氣和陽光并決心放棄德國國籍 1896年愛因斯坦正式成無國籍人并考進(jìn)了聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)大學(xué)期間愛因斯坦迷上了物理學(xué)方面閱讀了德國著名物理學(xué)家基爾霍夫、赫茲等人著作鉆研了麥克斯韋電磁理論和馬赫力學(xué)并經(jīng)常去理論物理學(xué)教授家請教另方面大部分時(shí)間去物理實(shí)驗(yàn)室去做實(shí)驗(yàn)迷戀于直接觀察和測量1900年愛因斯坦大學(xué)畢業(yè)1901年獲得了瑞士國籍1902年朋友格羅斯曼幫助下愛因斯坦終于伯爾尼瑞士聯(lián)邦專利局找了份穩(wěn)定工作--當(dāng)技術(shù)員 狹義相對論創(chuàng)立 早16歲時(shí)愛因斯坦從書本上了解光快速度前進(jìn)電磁波產(chǎn)生了想法人光速度運(yùn)動看幅樣世界景象呢看前進(jìn)光只能看空間里振蕩著卻停滯前電磁場種事能發(fā)生 與此相聯(lián)系非常想探討與光波有關(guān)所謂太問題太名詞源于希臘用代表組成天上物體基本元素17世紀(jì)笛卡爾首次引入科學(xué)作傳播光媒質(zhì)其惠更斯進(jìn)步發(fā)展了太學(xué)說認(rèn)荷載光波媒介物太應(yīng)該充滿包括真空內(nèi)全部空間并能滲透通常物質(zhì)與惠更斯看法同牛頓提出了光微粒說牛頓認(rèn)發(fā)光體發(fā)射出直線運(yùn)動微粒粒子流粒子流沖擊視網(wǎng)膜引起視覺18世紀(jì)牛頓微粒說占了上風(fēng)而了19世紀(jì)卻波動說占了絕對優(yōu)勢太學(xué)說也因此大大發(fā)展當(dāng)時(shí)看法波傳播要依賴于媒質(zhì)因光真空傳播傳播光波媒質(zhì)充滿整空間太也叫光太與此同時(shí)電磁學(xué)得了蓬勃發(fā)展經(jīng)過麥克斯韋、赫茲等人努力形成了成熟電磁現(xiàn)象動力學(xué)理論--電動力學(xué)并從理論與實(shí)踐上光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)起來認(rèn)光定頻率范圍內(nèi)電磁波從而光波動理論與電磁理論統(tǒng)起來太僅光波載體也成了電磁場載體直19世紀(jì)末人們企圖尋找太而從未實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)太 電動力學(xué)遇了重大問題與牛頓力學(xué)所遵從相對性原理致關(guān)于相對性原理思想早伽利略和牛頓時(shí)期已經(jīng)有了電磁學(xué)發(fā)展初也納入牛頓力學(xué)框架解釋運(yùn)動物體電磁過程時(shí)卻遇了困難按照麥克斯韋理論真空電磁波速度也光速度恒量而按照牛頓力學(xué)速度加法原理同慣性系光速同出現(xiàn)了問題:適用于力學(xué)相對性原理否適用于電磁學(xué)例有兩輛汽車輛向駛近輛駛離看前輛車燈光向靠近輛車燈光遠(yuǎn)離按照麥克斯韋理論兩種光速度相同汽車速度其起作用根據(jù)伽利略理論兩項(xiàng)測量結(jié)同向駛來車發(fā)出光加速即前車光速=光速+車速;而駛離車光速較慢因車光速=光速-車速麥克斯韋與伽利略關(guān)于速度說法明顯相悖我們何解決分歧呢 19世紀(jì)理論物理學(xué)達(dá)了巔峰狀態(tài)其也隱含著巨大危機(jī)海王星發(fā)現(xiàn)顯示出牛頓力學(xué)無比強(qiáng)大理論威力電磁學(xué)與力學(xué)統(tǒng)使物理學(xué)顯示出種形式上完整并被譽(yù)座莊嚴(yán)雄偉建筑體系和動人心弦美麗廟堂人們心目古典物理學(xué)已經(jīng)達(dá)了近乎完美程度德國著名物理學(xué)家普朗克年輕時(shí)曾向老師表示要獻(xiàn)身于理論物理學(xué)老師勸說:年輕人物理學(xué)門已經(jīng)完成了科學(xué)會再有多大發(fā)展了生獻(xiàn)給門學(xué)科太惜了 愛因斯坦似乎構(gòu)建嶄新物理學(xué)大廈人伯爾尼專利局日子里愛因斯坦廣泛關(guān)注物理學(xué)界前沿動態(tài)許多問題上深入思考并形成了自己獨(dú)特見解十年探索過程愛因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論特別經(jīng)過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述電動力學(xué)愛因斯坦堅(jiān)信電磁理論完全正確有問題使安絕對參照系太存閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn)所有人試圖證明太存試驗(yàn)都失敗經(jīng)過研究愛因斯坦發(fā)現(xiàn)除了作絕對參照系和電磁場荷載物外太洛倫茲理論已經(jīng)沒有實(shí)際意義于想:及絕對參照系必要電磁場定要有荷載物 愛因斯坦喜歡閱讀哲學(xué)著作并從哲學(xué)吸收思想營養(yǎng)相信世界統(tǒng)性和邏輯致性相對性原理已經(jīng)力學(xué)被廣泛證明電動力學(xué)卻無法成立對于物理學(xué)兩理論體系邏輯上致愛因斯坦提出了懷疑認(rèn)相對論原理應(yīng)該普遍成立因此電磁理論對于各慣性系應(yīng)該具有同樣形式里出現(xiàn)了光速問題光速變量還變量成相對性原理否普遍成立首要問題當(dāng)時(shí)物理學(xué)家般都相信太也相信存著絕對參照系受牛頓絕對空間概念影響19世紀(jì)末馬赫所著《發(fā)展力學(xué)》批判了牛頓絕對時(shí)空觀給愛因斯坦留下了深刻印象1905年5月天愛因斯坦與朋友貝索討論已探索了十年問題貝索按照馬赫主義觀點(diǎn)闡述了自己看法兩人討論了久突愛因斯坦領(lǐng)悟了回家經(jīng)過反復(fù)思考終于想明白了問題第二天又來貝索家說:謝謝我問題解決了原來愛因斯坦想清楚了件事:時(shí)間沒有絕對定義時(shí)間與光信號速度有種分割聯(lián)系找了開鎖鑰匙經(jīng)過五星期努力工作愛因斯坦把狹義相對論呈現(xiàn)人們面前 1905年6月30日德國《物理學(xué)年鑒》接受了愛因斯坦論文《論動體電動力學(xué)》同年9月該刊上發(fā)表篇論文關(guān)于狹義相對論第篇文章包含了狹義相對論基本思想和基本內(nèi)容狹義相對論所根據(jù)兩條原理:相對性原理和光速變原理愛因斯坦解決問題出發(fā)點(diǎn)堅(jiān)信相對性原理伽利略早闡明過相對性原理思想沒有對時(shí)間和空間給出過明確定義牛頓建立力學(xué)體系時(shí)也講了相對性思想又定義了絕對空間、絕對時(shí)間和絕對運(yùn)動問題上矛盾而愛因斯坦大大發(fā)展了相對性原理看來根本存絕對靜止空間同樣存絕對同時(shí)間所有時(shí)間和空間都和運(yùn)動物體聯(lián)系起對于任何參照系和坐標(biāo)系都只有屬于參照系和坐標(biāo)系空間和時(shí)間對于切慣性系運(yùn)用該參照系空間和時(shí)間所表達(dá)物理規(guī)律們形式都相同相對性原理嚴(yán)格地說狹義相對性原理篇文章愛因斯坦沒有多討論光速變作基本原理根據(jù)提出光速變大膽假設(shè)從電磁理論和相對性原理要求而提出來篇文章愛因斯坦多年來思考太與電動力學(xué)問題結(jié)從同時(shí)相對性點(diǎn)作突破口建立了全新時(shí)間和空間理論并新時(shí)空理論基礎(chǔ)上給動體電動力學(xué)完整形式太再必要太漂流存 同時(shí)性相對性同地方兩事件我們何知道同時(shí)發(fā)生呢般來說我們會通過信號來確認(rèn)了得知異地事件同時(shí)性我們得知道信號傳遞速度何沒出速度呢我們必須測出兩地空間距離及信號傳遞所需時(shí)間空間距離測量簡單麻煩于測量時(shí)間我們必須假定兩地各有只已經(jīng)對好了鐘從兩鐘讀數(shù)知道信號傳播時(shí)間我們何知道異地鐘對好了呢答案還需要種信號信號能否鐘對好按照先前思路又需要種新信號樣無窮退異地同時(shí)性實(shí)際上無法確認(rèn)過有點(diǎn)明確同時(shí)性必與種信號相聯(lián)系否則我們說兩件事同時(shí)發(fā)生沒有意義 光信號能用來對時(shí)鐘合適信號光速無限大樣產(chǎn)生新奇結(jié)論對于靜止觀察者同時(shí)兩件事對于運(yùn)動觀察者同時(shí)我們設(shè)想高速運(yùn)行列車速度接近光速列車通過站臺時(shí)甲站站臺上有兩道閃電甲眼前閃過道火車前端道端并火車兩端及平臺相應(yīng)部位留下痕跡通過測量甲與列車兩端間距相等得出結(jié)論甲同時(shí)看兩道閃電因此對甲來說收兩光信號同時(shí)間間隔內(nèi)傳播同樣距離并同時(shí)達(dá)所位置兩起事件必同時(shí)間發(fā)生們同時(shí)對于列車內(nèi)部正央乙情況則同因乙與高速運(yùn)行列車同運(yùn)動因此會先截取向著傳播前端信號收從端傳來光信號對乙來說兩起事件同時(shí)也說同時(shí)性絕對而取決于觀察者運(yùn)動狀態(tài)結(jié)論否定了牛頓力學(xué)引基礎(chǔ)絕對時(shí)間和絕對空間框架 相對論認(rèn)光速所有慣性參考系變物體運(yùn)動大速度由于相對論效應(yīng)運(yùn)動物體長度會變短運(yùn)動物體時(shí)間膨脹由于日常生活所遇問題運(yùn)動速度都低(與光速相比)看出相對論效應(yīng) 愛因斯坦時(shí)空觀徹底變革基礎(chǔ)上建立了相對論力學(xué)指出質(zhì)量隨著速度增加而增加當(dāng)速度接近光速時(shí)質(zhì)量趨于無窮大并且給出了著名質(zhì)能關(guān)系式:E=mc2質(zhì)能關(guān)系式對來發(fā)展原子能事業(yè)起了指導(dǎo)作用 廣義相對論建立 1905年愛因斯坦發(fā)表了關(guān)于狹義相對論第篇文章并沒有立即引起大反響德國物理學(xué)權(quán)威人士普朗克注意了文章認(rèn)愛因斯坦工作與哥白尼相媲美正由于普朗克推動相對論快成人們研究和討論課題愛因斯坦也受了學(xué)術(shù)界注意 1907年愛因斯坦聽從友人建議提交了篇著名論文申請聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)編外講師職位得答復(fù)論文無法理解雖德國物理學(xué)界愛因斯坦已經(jīng)有名氣瑞士卻得大學(xué)教職許多有名望人開始鳴平1908年愛因斯坦終于得了編外講師職位并第二年當(dāng)上了副教授1912年愛因斯坦當(dāng)上了教授1913年應(yīng)普朗克之邀擔(dān)任新成立威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學(xué)教授 此期間愛因斯坦考慮已經(jīng)建立相對論推廣對于來說有兩問題使安第引力問題狹義相對論對于力學(xué)、熱力學(xué)和電動力學(xué)物理規(guī)律正確能解釋引力問題牛頓引力理論超距兩物體之間引力作用瞬間傳遞即無窮大速度傳遞與相對論依據(jù)場觀點(diǎn)和極限光速沖突第二非慣性系問題狹義相對論與前物理學(xué)規(guī)律樣都只適用于慣性系事實(shí)上卻難找真正慣性系從邏輯上說切自規(guī)律應(yīng)該局限于慣性系必須考慮非慣性系狹義相對論難解釋所謂雙生了佯謬該佯謬說有對孿生兄弟哥宇宙飛船上接近光速速度做宇宙航行根據(jù)相對論效應(yīng)高速運(yùn)動時(shí)鐘變慢等哥哥回來弟弟已經(jīng)變得老了因地球上已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年而按照相對性原理飛船相對于地球高速運(yùn)動地球相對于飛船也高速運(yùn)動弟弟看哥哥變年輕了哥哥看弟弟也應(yīng)該年輕了問題簡直沒法回答實(shí)際上狹義相對論只處理勻速直線運(yùn)動而哥哥要回來必須經(jīng)過變速運(yùn)動過程相對論無法處理正人們忙于理解相對狹義相對論時(shí)愛因斯坦正接受完成廣義相對論 1907年愛因斯坦撰寫了關(guān)于狹義相對論長篇文章《關(guān)于相對性原理和由此得出結(jié)論》篇文章愛因斯坦第次提了等效原理此愛因斯坦關(guān)于等效原理思想又?jǐn)喟l(fā)展慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比自規(guī)律作等效原理根據(jù)提出無限小體積均勻引力場完全代替加速運(yùn)動參照系愛因斯坦并且提出了封閉箱說法:封閉箱觀察者管用方法也無法確定究竟靜止于引力場還處沒有引力場卻作加速運(yùn)動空間解釋等效原理常用說法而慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等等效原理自推論 1915年11月愛因斯坦先向普魯士科學(xué)院提交了四篇論文四篇論文提出了新看法證明了水星近日點(diǎn)進(jìn)動并給出了正確引力場方程至此廣義相對論基本問題都解決了廣義相對論誕生了1916年愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論基礎(chǔ)》篇文章愛因斯坦首先前適用于慣性系相對論稱狹義相對論只對于慣性系物理規(guī)律同樣成立原理稱狹義相對性原理并進(jìn)步表述了廣義相對性原理:物理學(xué)定律必須對于無論哪種方式運(yùn)動著參照系都成立 愛因斯坦廣義相對論認(rèn)由于有物質(zhì)存空間和時(shí)間會發(fā)生彎曲而引力場實(shí)際上彎曲時(shí)空愛因斯坦用太陽引力使空間彎曲理論好地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動直無法解釋43秒廣義相對論第二大預(yù)言引力紅移即強(qiáng)引力場光譜向紅端移動20年代天文學(xué)家天文觀測證實(shí)了點(diǎn)廣義相對論第三大預(yù)言引力場使光線偏轉(zhuǎn)靠近地球大引力場太陽引力場愛因斯坦預(yù)言遙遠(yuǎn)星光掠過太陽表面會發(fā)生點(diǎn)七秒偏轉(zhuǎn)1919年英國天文學(xué)家愛丁頓鼓動下英國派出了兩支遠(yuǎn)征隊(duì)分赴兩地觀察日全食經(jīng)過認(rèn)真研究得出結(jié)論:星光太陽附近確發(fā)生了點(diǎn)七秒偏轉(zhuǎn)英國皇家學(xué)會和皇家天文學(xué)會正式宣讀了觀測報(bào)告確認(rèn)廣義相對論結(jié)論正確會上著名物理學(xué)家、皇家學(xué)會會長湯姆孫說:自從牛頓時(shí)代來所取得關(guān)于萬有引力理論重大成愛因斯坦相對論人類思想偉大成之愛因斯坦成了新聞人物1916年寫了本通俗介紹相對認(rèn)書《狹義相對論與廣義相對論淺說》1922年已經(jīng)再版了40次還被譯成了十幾種文字廣流傳 相對論意義 狹義相對論和廣義相對論建立來已經(jīng)過去了長時(shí)間經(jīng)受住了實(shí)踐和歷史考驗(yàn)人們普遍承認(rèn)真理相對論對于現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展和現(xiàn)代人類思相發(fā)展都有巨大影響 相對論從邏輯思想上統(tǒng)了經(jīng)典物理學(xué)使經(jīng)典物理學(xué)成完美科學(xué)體系狹義相對論狹義相對性原理基礎(chǔ)上統(tǒng)了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動力學(xué)兩體系指出們都服從狹義相對性原理都對洛倫茲變換協(xié)變牛頓力學(xué)只過物體低速運(yùn)動下好近似規(guī)律廣義相對論又廣義協(xié)變基礎(chǔ)上通過等效原理建立了局域慣性長與普遍參照系數(shù)之間關(guān)系得了所有物理規(guī)律廣義協(xié)變形式并建立了廣義協(xié)變引力理論而牛頓引力理論只級近似從根本上解決了前物理學(xué)只限于慣性系數(shù)問題從邏輯上得了合理安排相對論嚴(yán)格地考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動些物理學(xué)基本概念給出了科學(xué)而系統(tǒng)時(shí)空觀和物質(zhì)觀從而使物理學(xué)邏輯上成完美科學(xué)體系 狹義相對論給出了物體高速運(yùn)動下運(yùn)動規(guī)律并提示了質(zhì)量與能量相當(dāng)給出了質(zhì)能關(guān)系式兩項(xiàng)成對低速運(yùn)動宏觀物體并明顯研究微觀粒子時(shí)卻顯示了極端重要性因微觀粒子運(yùn)動速度般都比較快有接近甚至達(dá)光速所粒子物理學(xué)離開相對論質(zhì)能關(guān)系式僅量子理論建立和發(fā)展創(chuàng)造了必要條件而且原子核物理學(xué)發(fā)展和應(yīng)用提供了根據(jù) 廣義相對論建立了完善引力理論而引力理論主要涉及天體現(xiàn)相對論宇宙學(xué)進(jìn)步發(fā)展而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理些屬于相對論天體物理學(xué)分支學(xué)科都有定進(jìn)展吸引了許多科學(xué)家進(jìn)行研究 位法國物理學(xué)家曾經(jīng)樣評價(jià)愛因斯坦:我們時(shí)代物理學(xué)家愛因斯坦位于前列現(xiàn)、來也還人類宇宙有光輝巨星之按照我看法也許比牛頓更偉大因?qū)τ诳茖W(xué)貢獻(xiàn)更加深入地進(jìn)入了人類思想基本要領(lǐng)結(jié)構(gòu)