论文部分内容阅读
阿尔伯特·爱因斯坦
阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein，1879年3月-1955年4月），德裔美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人之一。
1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代》周刊评选为“世纪伟人”。他的名字与“相对论”密不可分——相对论包括两种理论：一是1905年建立的狭义相对论;二是1915年创立的广义相对论。后者，我们可称之为爱因斯坦引力论。
2015年是爱因斯坦创立广义相对论的百年纪念。从1905年建立“狭义相对论”，到1915年“广义相对论”问世，爱因斯坦这段“奇迹的伟大演绎”究竟是如何发生的？
他的出现，让物理世界别有天地
1905年，狭义相对论的建立为物理学界打开了一个新世界，但爱因斯坦对此并不满意，他认为物理世界还应有更广阔的天地。正是当时相对论的不完备性，才成为今天我们称它为“狭义”的原因。
虽然爱因斯坦在狭义相对论中已经废除了“以太”的观念，但在物理学中是否就不再有任何绝对或特殊的情况？1907年，爱因斯坦发现答案是否定的——让我们想一下伽利略的相对性原理，其中描述等速直线运动的船就像“不动似的”。为何等速直线运动拥有如此特权？如果所有的运动都是等价的（这里所说的等价是广义相对论的相对性原理：所有非惯性系和有引力场存在的惯性系对于描述物理现象都是等价的），不是更令人满意吗？此后，爱因斯坦把相对性原理从等速运动推广到加速运动，其基础就是惯性质量同引力质量的相当性，因为他察觉到了广义相对原理和重力谜题之间的关系。
加速运动与引力场的运动是等价的，要区别是由惯性力或者引力所产生的运动是不可能的。对此，爱因斯坦凭借惊人的想象力做了一个“理想实验”。他设想有一个人乘坐摩天大楼的电梯自由降落，乘坐电梯的人不会感到自己在下降，因为电梯和人都依照重力加速度定律同时在下降，仿佛在电梯里不存在地球引力。反之，如果电梯以不变的加速度上升，那么在电梯里的人将觉得双脚紧贴在地板上，好像站在地球表面一样。这个等价原理是广义相对论的基础，它显示了等速运动的一些基本原理也可以应用到加速度运动中。
1912年开始，起初对数学不够重视的爱因斯坦在他大学好友格罗斯曼的帮助下，用张量分析和曲面几何作为数学工具尝试建立广义相对论。广义相对论的推导过程历经千辛万苦，其中涉及许多艰深的数学问题和运用不成功的数学方法。传说当时世界上只有三个人能理解这理论中的所有数学细节。这种说法未免有点夸张，但爱因斯坦确实为它学习了许多新数学知识，比如黎曼几何学等。
从1915年11月开始，爱因斯坦陆续公布广义相对论的最新研究成果。普鲁士科学院院士们每周四聚会一次（1913年爱因斯坦在德国的科学圣地柏林被正式提名为普鲁士科学院的院士）。在连续的四次聚会中，这些院士亲眼目睹了广义相对论的诞生——这是20世纪最伟大和深刻的科学理论。
爱因斯坦在广义相对论已发表的20多年后曾对自己的学生英费尔德说过：“要是我没有发现狭义相对论，总有一天也会有别人来发现它;但是我认为，广义相对论的情况不是这样。”
有人说，这句话直到今天还是正确的。也就是说，如果没有爱因斯坦，人类恐怕直到今天也不会有广义相对论。本来，一切重大的科学理论，都是科学发展到一定阶段后的必然产物，说它完全依赖于某个人，这未免太绝对了，然而广义相对论的诞生似乎确实是这样。物理学当时的发展基本没有给创立广义相对论以任何条件和机遇，它有点纯粹或完全是爱因斯坦本人天才大脑的创造。可以说爱因斯坦的出现，让物理世界具有了一番崭新天地……
关于狭义相对论，有以下几个结论：
钟表慢走和尺子缩短现象，它是指物体高速运动的时候，运动物体上的时钟变慢，尺子变短。钟表慢走和尺子缩短现象就是时间和空间随物质运动而变化的结果。许多科学幻想作品用它作题材，描写一个人坐火箭遨游太空回来以后，发现自己还很年轻，而孙子已经变成了老头。
狭义相对论还有一个质量随运动速度而增加的结论。实验中发现，高速运动的电子的质量比静止的电子的质量大。
爱因斯坦的感恩之情
爱因斯坦终身感谢格罗斯曼对他的帮助。在悼念格罗斯曼的信中，他谈到这件事时说，当他大学毕业时，“突然被一切人抛弃，一筹莫展地面对人生。他帮助了我，通过他和他的父亲，我后来才到了哈勒（时任瑞士专利局局长）那里，进了专利局。这有点像救命之恩，没有他，我大概不至于饿死，但精神会颓唐起来。”
美名响彻世界
为了验证广义相对论的正确性，爱因斯坦对其效应做了预测。他认为，光线并不像学校教的那样永远走直线，在引力场中它应该沿着曲线传播;并指出，当从一个遥远的星球上发出的光在到达地球途经太阳的时候，会由于太阳周边空间弯曲而使这个星球看起来的位置与实际位置不符，而产生偏折，其偏折的弧度应当是1.75秒，因此他建议通过观测日全食来验证这个理论，然而观测日全食的机会因为第一次世界大战耽搁了。直到第一次世界大战结束，英国天体物理学家埃丁顿爵士才开始验证这个理论。
1919年5月29日，埃丁顿率领两个天文考察队，拟定在日全食时分别在巴西和西非摄影，通过观察日全食来验证广义相对论的正确性。在1919年11月6日，埃丁顿爵士发表了一份关于其考察的报告，该报告称：在西非外海的葡萄牙属小岛普林西比上观测到的结果，其光线偏转度竟和爱因斯坦计算的非常一致。这份报告证实了爱因斯坦的时空新理论，同时也使牛顿的万有引力学说失去了普遍的意义。
要说这种科学事件在平常是不会受到普通大众注意的，但“一战后的某些特殊情况”使得媒体史无前例地争相报导。一夜之间，爱因斯坦从一个默默无闻的大学教授变成传奇人物，全世界都为之轰动，他的名字在国际社会开始广为流传，几乎家喻户晓。 在广义相对论中，空间不只会被物质改变;同时，如果没有物质，空间就不可能存在。简言之，物质创造空间。另一种说法则是若没有物质，空间也不存在。所以无法去除空间中所有物质，如同琴乐波动与时空传播（这里谈论的空间是狭义相对论中提出的时空）。当我们除去空间中所有物质时，不只是空间的消失，就连时间也会消失。换句话说，时间、空间与物质（能量）是同时被创造出来的——这与我们的常识（统治人们观念数百年之久的牛顿经典物理体系）几乎是背道而驰的，由此可见这一理论对人类观念的更新。
关于弯曲时空概念，广义相对论提出了四个可以验证的实验，并在其后由天文学家和物理学家实现了验证。
引力红移：广义相对论认为，引力势强的地方，固有时间的流逝速度慢，也就是说离天体越近，时间越慢。这样，天体表面原子发出的光周期变长，由于光速不变，相应的频率变小，就会向光谱中红光方向移动。
引力场中的光线偏折：在现代，通过射电望远镜可以观测类星体的射电信号在太阳引力场中的偏折，而不必等待日全食这种稀有的机会。
水星近日点进动：广义相对论的计算结果与平方反比的万有引力定律有所差异，这一差异刚好使水星的近日点每百年移动43角秒。
雷达回波时间延迟：广义相对论认为光子靠近引力场时，就会发生时间延迟效应。光线轨迹在引力场中弯曲，使得其路径延长。这种弯曲现象可以等价地看成是一种折射，相当于有效光速减慢，因此从空间某一点发出的信号，如果途经太阳附近，到达地球的时间将有所延迟。
巨星陨落，精神存续
1955年4月18日，伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于美国普林斯顿。巨星陨落，举世同悲。
我们难以忘记，那是距今110年的1905年，这位瑞士专利局的小职员天才般地凭借狭义相对论改变了以往我们对物理世界运动状态的看法;到了距今100年的1915年，他又凭借广义相对论改变了人类对宇宙基本结构和存在形态的认识。直到跨入21世纪的今天，他的智力遗产仍然还是新一代物理学家的灵感源泉……
爱因斯坦如同艺术大师，将时间、空间、质量、能量视为四种原基色，创作出“广义相对论”这件科学与艺术融合的划时代精品绝作。
爱因斯坦曾说过：“我自己不过是自然的一个极微小的分子。”是的，他把一切献给了人类，从自然界获得自由的征程，最后连自己的骨灰也回到大自然的怀抱。正如英费尔德第一次与他接触时所感受到的那样：“真正的伟大和真正的高尚总是并肩而行的。”爱因斯坦的伟大业绩和精神，至此也永远留给了全人类。
阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein，1879年3月-1955年4月），德裔美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人之一。
1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代》周刊评选为“世纪伟人”。他的名字与“相对论”密不可分——相对论包括两种理论：一是1905年建立的狭义相对论;二是1915年创立的广义相对论。后者，我们可称之为爱因斯坦引力论。
2015年是爱因斯坦创立广义相对论的百年纪念。从1905年建立“狭义相对论”，到1915年“广义相对论”问世，爱因斯坦这段“奇迹的伟大演绎”究竟是如何发生的？
他的出现，让物理世界别有天地
1905年，狭义相对论的建立为物理学界打开了一个新世界，但爱因斯坦对此并不满意，他认为物理世界还应有更广阔的天地。正是当时相对论的不完备性，才成为今天我们称它为“狭义”的原因。
虽然爱因斯坦在狭义相对论中已经废除了“以太”的观念，但在物理学中是否就不再有任何绝对或特殊的情况？1907年，爱因斯坦发现答案是否定的——让我们想一下伽利略的相对性原理，其中描述等速直线运动的船就像“不动似的”。为何等速直线运动拥有如此特权？如果所有的运动都是等价的（这里所说的等价是广义相对论的相对性原理：所有非惯性系和有引力场存在的惯性系对于描述物理现象都是等价的），不是更令人满意吗？此后，爱因斯坦把相对性原理从等速运动推广到加速运动，其基础就是惯性质量同引力质量的相当性，因为他察觉到了广义相对原理和重力谜题之间的关系。
加速运动与引力场的运动是等价的，要区别是由惯性力或者引力所产生的运动是不可能的。对此，爱因斯坦凭借惊人的想象力做了一个“理想实验”。他设想有一个人乘坐摩天大楼的电梯自由降落，乘坐电梯的人不会感到自己在下降，因为电梯和人都依照重力加速度定律同时在下降，仿佛在电梯里不存在地球引力。反之，如果电梯以不变的加速度上升，那么在电梯里的人将觉得双脚紧贴在地板上，好像站在地球表面一样。这个等价原理是广义相对论的基础，它显示了等速运动的一些基本原理也可以应用到加速度运动中。
1912年开始，起初对数学不够重视的爱因斯坦在他大学好友格罗斯曼的帮助下，用张量分析和曲面几何作为数学工具尝试建立广义相对论。广义相对论的推导过程历经千辛万苦，其中涉及许多艰深的数学问题和运用不成功的数学方法。传说当时世界上只有三个人能理解这理论中的所有数学细节。这种说法未免有点夸张，但爱因斯坦确实为它学习了许多新数学知识，比如黎曼几何学等。
从1915年11月开始，爱因斯坦陆续公布广义相对论的最新研究成果。普鲁士科学院院士们每周四聚会一次（1913年爱因斯坦在德国的科学圣地柏林被正式提名为普鲁士科学院的院士）。在连续的四次聚会中，这些院士亲眼目睹了广义相对论的诞生——这是20世纪最伟大和深刻的科学理论。
爱因斯坦在广义相对论已发表的20多年后曾对自己的学生英费尔德说过：“要是我没有发现狭义相对论，总有一天也会有别人来发现它;但是我认为，广义相对论的情况不是这样。”
有人说，这句话直到今天还是正确的。也就是说，如果没有爱因斯坦，人类恐怕直到今天也不会有广义相对论。本来，一切重大的科学理论，都是科学发展到一定阶段后的必然产物，说它完全依赖于某个人，这未免太绝对了，然而广义相对论的诞生似乎确实是这样。物理学当时的发展基本没有给创立广义相对论以任何条件和机遇，它有点纯粹或完全是爱因斯坦本人天才大脑的创造。可以说爱因斯坦的出现，让物理世界具有了一番崭新天地……
关于狭义相对论，有以下几个结论：
钟表慢走和尺子缩短现象，它是指物体高速运动的时候，运动物体上的时钟变慢，尺子变短。钟表慢走和尺子缩短现象就是时间和空间随物质运动而变化的结果。许多科学幻想作品用它作题材，描写一个人坐火箭遨游太空回来以后，发现自己还很年轻，而孙子已经变成了老头。
狭义相对论还有一个质量随运动速度而增加的结论。实验中发现，高速运动的电子的质量比静止的电子的质量大。
爱因斯坦的感恩之情
爱因斯坦终身感谢格罗斯曼对他的帮助。在悼念格罗斯曼的信中，他谈到这件事时说，当他大学毕业时，“突然被一切人抛弃，一筹莫展地面对人生。他帮助了我，通过他和他的父亲，我后来才到了哈勒（时任瑞士专利局局长）那里，进了专利局。这有点像救命之恩，没有他，我大概不至于饿死，但精神会颓唐起来。”
美名响彻世界
为了验证广义相对论的正确性，爱因斯坦对其效应做了预测。他认为，光线并不像学校教的那样永远走直线，在引力场中它应该沿着曲线传播;并指出，当从一个遥远的星球上发出的光在到达地球途经太阳的时候，会由于太阳周边空间弯曲而使这个星球看起来的位置与实际位置不符，而产生偏折，其偏折的弧度应当是1.75秒，因此他建议通过观测日全食来验证这个理论，然而观测日全食的机会因为第一次世界大战耽搁了。直到第一次世界大战结束，英国天体物理学家埃丁顿爵士才开始验证这个理论。
1919年5月29日，埃丁顿率领两个天文考察队，拟定在日全食时分别在巴西和西非摄影，通过观察日全食来验证广义相对论的正确性。在1919年11月6日，埃丁顿爵士发表了一份关于其考察的报告，该报告称：在西非外海的葡萄牙属小岛普林西比上观测到的结果，其光线偏转度竟和爱因斯坦计算的非常一致。这份报告证实了爱因斯坦的时空新理论，同时也使牛顿的万有引力学说失去了普遍的意义。
要说这种科学事件在平常是不会受到普通大众注意的，但“一战后的某些特殊情况”使得媒体史无前例地争相报导。一夜之间，爱因斯坦从一个默默无闻的大学教授变成传奇人物，全世界都为之轰动，他的名字在国际社会开始广为流传，几乎家喻户晓。 在广义相对论中，空间不只会被物质改变;同时，如果没有物质，空间就不可能存在。简言之，物质创造空间。另一种说法则是若没有物质，空间也不存在。所以无法去除空间中所有物质，如同琴乐波动与时空传播（这里谈论的空间是狭义相对论中提出的时空）。当我们除去空间中所有物质时，不只是空间的消失，就连时间也会消失。换句话说，时间、空间与物质（能量）是同时被创造出来的——这与我们的常识（统治人们观念数百年之久的牛顿经典物理体系）几乎是背道而驰的，由此可见这一理论对人类观念的更新。
关于弯曲时空概念，广义相对论提出了四个可以验证的实验，并在其后由天文学家和物理学家实现了验证。
引力红移：广义相对论认为，引力势强的地方，固有时间的流逝速度慢，也就是说离天体越近，时间越慢。这样，天体表面原子发出的光周期变长，由于光速不变，相应的频率变小，就会向光谱中红光方向移动。
引力场中的光线偏折：在现代，通过射电望远镜可以观测类星体的射电信号在太阳引力场中的偏折，而不必等待日全食这种稀有的机会。
水星近日点进动：广义相对论的计算结果与平方反比的万有引力定律有所差异，这一差异刚好使水星的近日点每百年移动43角秒。
雷达回波时间延迟：广义相对论认为光子靠近引力场时，就会发生时间延迟效应。光线轨迹在引力场中弯曲，使得其路径延长。这种弯曲现象可以等价地看成是一种折射，相当于有效光速减慢，因此从空间某一点发出的信号，如果途经太阳附近，到达地球的时间将有所延迟。
巨星陨落，精神存续
1955年4月18日，伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于美国普林斯顿。巨星陨落，举世同悲。
我们难以忘记，那是距今110年的1905年，这位瑞士专利局的小职员天才般地凭借狭义相对论改变了以往我们对物理世界运动状态的看法;到了距今100年的1915年，他又凭借广义相对论改变了人类对宇宙基本结构和存在形态的认识。直到跨入21世纪的今天，他的智力遗产仍然还是新一代物理学家的灵感源泉……
爱因斯坦曾说过：“我自己不过是自然的一个极微小的分子。”是的，他把一切献给了人类，从自然界获得自由的征程，最后连自己的骨灰也回到大自然的怀抱。正如英费尔德第一次与他接触时所感受到的那样：“真正的伟大和真正的高尚总是并肩而行的。”爱因斯坦的伟大业绩和精神，至此也永远留给了全人类。