愛迪生的相對論是什么？

【專家解說】：狹義相對論的創(chuàng)立 早在16歲時，愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進的電磁波，他產生了一個想法，如果一個人以光的速度運動，他將看到一幅什么樣的世界景象呢？他將看不到前進的光，只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場。這種事可能發(fā)生嗎？ 愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學，指出質量隨著速度的增加而增加，當速度接近光速時，質量趨于無窮大。他并且給出了著名的質能關系式：E=mc2，質能關系式對后來發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導作用。 廣義相對論的建立 1905年，愛因斯坦發(fā)表了關于狹義相對論的第一篇文章后，并沒有立即引起很大的反響。但是德國物理學的權威人士普朗克注意到了他的文章，認為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推動，相對論很快成為人們研究和討論的課題，愛因斯坦也受到了學術界的注意。 1907年，愛因斯坦聽從友人的建議，提交了那篇著名的論文申請聯(lián)邦工業(yè)大學的編外講師職位，但得到的答復是論文無法理解。雖然在德國物理學界愛因斯坦已經很有名氣，但在瑞士，他卻得不到一個大學的教職，許多有名望的人開始為他鳴不平，1908年，愛因斯坦終于得到了編外講師的職位，并在第二年當上了副教授。1912年，愛因斯坦當上了教授，1913年，應普朗克之邀擔任新成立的威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學教授。 在此期間，愛因斯坦在考慮將已經建立的相對論推廣，對于他來說，有兩個問題使他不安。第一個是引力問題，狹義相對論對于力學、熱力學和電動力學的物理規(guī)律是正確的，但是它不能解釋引力問題。牛頓的引力理論是超距的，兩個物體之間的引力作用在瞬間傳遞，即以無窮大的速度傳遞，這與相對論依據的場的觀點和極限的光速沖突。第二個是非慣性系問題，狹義相對論與以前的物理學規(guī)律一樣，都只適用于慣性系。但事實上卻很難找到真正的慣性系。從邏輯上說，一切自然規(guī)律不應該局限于慣性系，必須考慮非慣性系。狹義相對論很難解釋所謂的雙生了佯謬，該佯謬說的是，有一對孿生兄弟，哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行，根據相對論效應，高速運動的時鐘變慢，等哥哥回來，弟弟已經變得很老了，因為地球上已經經歷了幾十年。而按照相對性原理，飛船相對于地球高速運動，地球相對于飛船也高速運動，弟弟看哥哥變年輕了，哥哥看弟弟也應該年輕了。這個問題簡直沒法回答。實際上，狹義相對論只處理勻速直線運動，而哥哥要回來必須經過一個變速運動過程，這是相對論無法處理的。正在人們忙于理解相對狹義相對論時，愛因斯坦正在接受完成廣義相對論。 1907年，愛因斯坦撰寫了關于狹義相對論的長篇文章《關于相對性原理和由此得出的結論》，在這篇文章中愛因斯坦第一次提到了等效原理，此后，愛因斯坦關于等效原理的思想又不斷發(fā)展。他以慣性質量和引力質量成正比的自然規(guī)律作為等效原理的根據，提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運動的參照系。愛因斯坦并且提出了封閉箱的說法：在一封閉箱中的觀察者，不管用什么方法也無法確定他究竟是靜止于一個引力場中，還是處在沒有引力場卻在作加速運動的空間中，這是解釋等效原理最常用的說法，而慣性質量與引力質量相等是等效原理一個自然的推論。 1915年11月，愛因斯坦先后向普魯士科學院提交了四篇論文，在這四篇論文中，他提出了新的看法，證明了水星近日點的進動，并給出了正確的引力場方程。至此，廣義相對論的基本問題都解決了，廣義相對論誕生了。1916年，愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論的基礎》，在這篇文章中，愛因斯坦首先將以前適用于慣性系的相對論稱為狹義相對論，將只對于慣性系物理規(guī)律同樣成立的原理稱為狹義相對性原理，并進一步表述了廣義相對性原理：物理學的定律必須對于無論哪種方式運動著的參照系都成立。 愛因斯坦的廣義相對論認為，由于有物質的存在，空間和時間會發(fā)生彎曲，而引力場實際上是一個彎曲的時空。愛因斯坦用太陽引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點進動中一直無法解釋的43秒。廣義相對論的第二大預言是引力紅移，即在強引力場中光譜向紅端移動，20年代，天文學家在天文觀測中證實了這一點。廣義相對論的第三大預言是引力場使光線偏轉，。最靠近地球的大引力場是太陽引力場，愛因斯坦預言，遙遠的星光如果掠過太陽表面將會發(fā)生一點七秒的偏轉。1919年，在英國天文學家愛丁頓的鼓動下，英國派出了兩支遠征隊分赴兩地觀察日全食，經過認真的研究得出最后的結論是：星光在太陽附近的確發(fā)生了一點七秒的偏轉。英國皇家學會和皇家天文學會正式宣讀了觀測報告，確認廣義相對論的結論是正確的。會上，著名物理學家、皇家學會會長湯姆孫說：“這是自從牛頓時代以來所取得的關于萬有引力理論的最重大的成果”，“愛因斯坦的相對論是人類思想最偉大的成果之一”。愛因斯坦成了新聞人物，他在1916年寫了一本通俗介紹相對認的書《狹義相對論與廣義相對論淺說》，到1922年已經再版了40次，還被譯成了十幾種文字，廣為流傳。 相對論的意義 狹義相對論和廣義相對論建立以來，已經過去了很長時間，它經受住了實踐和歷史的考驗，是人們普遍承認的真理。相對論對于現代物理學的發(fā)展和現代人類思相的發(fā)展都有巨大的影響。 相對論從邏輯思想上統(tǒng)一了經典物理學，使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統(tǒng)一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規(guī)律。廣義相對論又在廣義協(xié)變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性長與普遍參照系數之間的關系，得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式，并建立了廣義協(xié)變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級近似。這就從根本上解決了以前物理學只限于慣性系數的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統(tǒng)的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。 狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規(guī)律，并提示了質量與能量相當，給出了質能關系式。這兩項成果對低速運動的宏觀物體并不明顯，但在研究微觀粒子時卻顯示了極端的重要性。因為微觀粒子的運動速度一般都比較快，有的接近甚至達到光速，所以粒子的物理學離不開相對論。質能關系式不僅為量子理論的建立和發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件，而且為原子核物理學的發(fā)展和應用提供了根據。 廣義相對論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。到現在，相對論宇宙學進一步發(fā)展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對論天體物理學的分支學科都有一定的進展，吸引了許多科學家進行研究。 一位法國物理學家曾經這樣評價愛因斯坦：“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位于最前列。他現在是、將來也還是人類宇宙中最有光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因為他對于科學的貢獻，更加深入地進入了人類思想基本要領的結構中。”