我想问的是爱因斯坦的相对论比较详细的内容谁能传一份给我?

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爱因斯坦的相对论的具体内容~

相对论
相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由爱因斯坦(Albert Einstein)创立,分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理,相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”,“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。

【相对论的提出过程】

除了量子理论以外,1905年刚刚得到博士学位的爱因斯坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章引发了二十世纪物理学的另一场革命。文章研究的是物体的运动对光学现象的影响,这是当时经典物理学面对的另一个难题。

十九世纪中叶,麦克斯韦建立了电磁场理论,并预言了以光速C传播的电磁波的存在。到十九世纪末,实验完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么?它的传播速度C是对谁而言的呢?当时流行的看法是整个宇宙空间充满一种特殊物质叫做“以太”,电磁波是以太振动的传播。但人们发现,这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是在一个静止的以太中运动,那么根据速度迭加原理,在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样,但是实验否定了这个结论。如果认为以太被地球带着走,又明显与天文学上的一些观测结果不符。

1887年迈克尔逊和莫雷利用光的干涉现象进行了非常精确的测量,仍没有发现地球有相对于以太的任何运动。对此,洛仑兹(H.A.Lorentz)提出了一个假设,认为一切在以太中运动的物体都要沿运动方向收缩。由此他证明了,即使地球相对以太有运动,迈克尔逊也不可能发现它。爱因斯坦从完全不同的思路研究了这一问题。他指出,只要摒弃牛顿所确立的绝对空间和绝对时间的概念,一切困难都可以解决,根本不需要什么以太。

爱因斯坦提出了两条基本原理作为讨论运动物体光学现象的基础。第一个叫做相对性原理。它是说:如果坐标系K'相对于坐标系K作匀速运动而没有转动,则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验,都不可能区分哪个是坐标系K,哪个是坐标系K′。第二个原理叫光速不变原理,它是说光(在真空中)的速度c是恒定的,它不依赖于发光物体的运动速度。

从表面上看,光速不变似乎与相对性原理冲突。因为按照经典力学速度的合成法则,对于K′和K这两个做相对匀速运动的坐标系,光速应该不一样。爱因斯坦认为,要承认这两个原理没有抵触,就必须重新分析时间与空间的物理概念。

经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设:

1.两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系;

2.两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。

爱因斯坦发现,如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的,那么这两条假设都必须摒弃。这时,对一个钟是同时发生的事件,对另一个钟不一定是同时的,同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中,测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性。

如果设K坐标系中一个事件可以用三个空间坐标x、y、z和一个时间坐标t来确定,而K′坐标系中同一个事件由x′、y′、z′和t′来确定,则爱因斯坦发现,x′、y′、z′和t′可以通过一组方程由x、y、z和t求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c是方程的唯一参数。这个方程最早是由洛仑兹得到的,所以称为洛仑兹变换。

利用洛仑兹变换很容易证明,钟会因为运动而变慢,尺在运动时要比静止时短,速度的相加满足一个新的法则。相对性原理也被表达为一个明确的数学条件,即在洛仑兹变换下,带撇的空时变量x'、y'、z'、t'将代替空时变量x、y、z、t,而任何自然定律的表达式仍取与原来完全相同的形式。人们称之为普遍的自然定律对于洛仑兹变换是协变的。这一点在我们探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。

此外,在经典物理学中,时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的,每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z,它们构成一个四维的连续空间,通常称为闵可夫斯基四维空间。在相对论中,用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦以前,物理学家一直认为质量和能量是截然不同的,它们是分别守恒的量。爱因斯坦发现,在相对论中质量与能量密不可分,两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个著名的质量-能量公式:E=mc2,其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明,微小的质量蕴涵着巨大的能量。这个奇妙的公式为人类获取巨大的能量,制造原子弹和氢弹以及利用原子能发电等奠定了理论基础。

对爱因斯坦引入的这些全新的概念,大部分物理学家,其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹,都觉得难以接受。旧的思想方法的障碍,使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉,就连瑞典皇家科学院,1922年把诺贝尔奖金授予爱因斯坦时,也只是说“由于他对理论物理学的贡献,更由于他发现了光电效应的定律。”对于相对论只字未提。

爱因斯坦于1915年进一步建立起了广义相对论。狭义相对性原理还仅限于两个相对做匀速运动的坐标系,而在广义相对论性原理中匀速运动这个限制被取消了。他引入了一个等效原理,认为我们不可能区分引力效应和非匀速运动,即非匀速运动和引力是等效的。他进而分析了光线在靠近一个行量附近穿过时会受到引力而弯折的现象,认为引力的概念本身完全不必要。可以认为行星的质量使它附近的空间变成弯曲,光线走的是最短程线。基于这些讨论,爱因斯坦导出了一组方程,它们可以确定由物质的存在而产生的弯曲空间几何。利用这个方程,爱因斯坦计算了水星近日点的位移量,与实验观测值完全一致,解决了一个长期解释不了的困难问题,这使爱因斯坦激动不已。他在写给埃伦菲斯特的信中这样写道:“……方程给出了近日点的正确数值,你可以想象我有多高兴!有好几天,我高兴得不知怎样才好。”

1915年11月25日,爱因斯坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院,完整地论述了广义相对论。在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜,而且还预言:星光经过太阳会发生偏折,偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍。第一次世界大战延误了对这个数值的测定。1919年5月25日的日全食给人们提供了大战后的第一次观测机会。英国人爱丁顿奔赴非洲西海岸的普林西比岛,进行了这一观测。11月6日,汤姆逊在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上郑重宣布:得到证实的是爱因斯坦而不是牛顿所预言的结果。他称赞道“这是人类思想史上最伟大的成就之一。爱因斯坦发现的不是一个小岛,而是整整一个科学思想的新大陆。”泰晤士报以“科学上的革命”为题对这一重大新闻做了报道。消息传遍全世界,爱因斯坦成了举世瞩目的名人。广义相对论也被提高到神话般受人敬仰的宝座。

从那时以来,人们对广义相对论的实验检验表现出越来越浓厚的兴趣。但由于太阳系内部引力场非常弱,引力效应本身就非常小,广义相对论的理论结果与牛顿引力理论的偏离很小,观测非常困难。七十年代以来,由于射电天文学的进展,观测的距离远远突破了太阳系,观测的精度随之大大提高。特别是1974年9月由麻省理工学院的泰勒和他的学生惠斯勒,用305米口径的大型射电望远镜进行观测时,发现了脉冲双星,它是一个中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行,周期只有0.323天,它的表面的引力比太阳表面强十万倍,是地球上甚至太阳系内不可能获得的检验引力理论的实验室。经过长达十余年的观测,他们得到了与广义相对论的预言符合得非常好的结果。由于这一重大贡献,泰勒和惠斯勒获得了1993年诺贝尔物理奖。


【狭义相对论】

马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说:空间和广延不是别的,而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。1905年爱因斯坦指出,迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的,光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物,时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相对论。

狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论,因此要弄清相对论的内容,要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间,但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思,只有数学意义,在此不做讨论。

四维时空是构成真实世界的最低维度,我们的世界恰好是四维,至于高维真实空间,至少现在我们还无法感知。我在一个帖子上说过一个例子,一把尺子在三维空间里(不含时间)转动,其长度不变,但旋转它时,它的各坐标值均发生了变化,且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标,它与空间坐标是有联系的,也就是说时空是统一的,不可分割的整体,它们是一种“此消彼长”的关系。

四维时空不仅限于此,由质能关系知,质量和能量实际是一回事,质量(或能量)并不是独立的,而是与运动状态相关的,比如速度越大,质量越大。在四维时空里,质量(或能量)实际是四维动量的第四维分量,动量是描述物质运动的量,因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里,动量和能量实现了统一,称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度,四维加速度,四维力,电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是,电磁场方程组的四维形式更加完美,完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多,这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性,我们不能对它妄加怀疑。

相对论中,时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空,能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到,时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。

狭义相对论基本原理

物质在相互作用中作永恒的运动,没有不运动的物质,也没有无物质的运动,由于物质是在相互联系,相互作用中运动的,因此,必须在物质的相互关系中描述运动,而不可能孤立的描述运动。也就是说,运动必须有一个参考物,这个参考物就是参考系。

伽利略曾经指出,运动的船与静止的船上的运动不可区分,也就是说,当你在封闭的船舱里,与外界完全隔绝,那么即使你拥有最发达的头脑,最先进的仪器,也无从感知你的船是匀速运动,还是静止。更无从感知速度的大小,因为没有参考。比如,我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态,因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用,作为狭义相对论的第一个基本原理:狭义相对性原理。其内容是:惯性系之间完全等价,不可区分。

著名的麦克尔逊·莫雷实验彻底否定了光的以太学说,得出了光与参考系无关的结论。也就是说,无论你站在地上,还是站在飞奔的火车上,测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理,光速不变原理。

由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式,速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变幻,与传统的法则相矛盾,但实践证明是正确的,比如一辆火车速度是10m/s,一个人在车上相对车的速度也是10m/s,地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s,而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情况下,这种相对论效应完全可以忽略,但在接近光速时,这种效应明显增大,比如,火车速度是0。99倍光速,人的速度也是0。99倍光速,那么地面观测者的结论不是1。98倍光速,而是0。999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢,对他来说也是光速。因此,从这个意义上说,光速是不可超越的,因为无论在那个参考系,光速都是不变的。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明,是无可挑剔的。正因为光的这一独特性质,因此被选为四维时空的唯一标尺。

狭义相对论效应

根据狭义相对性原理,惯性系是完全等价的,因此,在同一个惯性系中,存在统一的时间,称为同时性,而相对论证明,在不同的惯性系中,却没有统一的同时性,也就是两个事件(时空点)在一个关性系内同时,在另一个惯性系内就可能不同时,这就是同时的相对性,在惯性系中,同一物理过程的时间进程是完全相同的,如果用同一物理过程来度量时间,就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道,非惯性系中,时空是不均匀的,也就是说,在同一非惯性系中,没有统一的时间,因此不能建立统一的同时性。

相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系,发现运动的惯性系时间进度慢,这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走的越慢,接近光速时,钟就几乎停止了。

尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值的差。由于"同时"的相对性,不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,这就是所谓的尺缩效应,当速度接近光速时,尺子缩成一个点。

由以上陈述可知,钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性。也就是说,时间进度与参考系有关。这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观,相对论认为,绝对时间是不存在的,然而时间仍是个客观量。比如在下期将讨论的双生子理想实验中,哥哥乘飞船回来后是15岁,弟弟可能已经是45岁了,说明时间是相对的,但哥哥的确是活了15年,弟弟也的确认为自己活了45年,这是与参考系无关的,时间又是"绝对的"。这说明,不论物体运动状态如何,它本身所经历的时间是一个客观量,是绝对的,这称为固有时。也就是说,无论你以什么形式运动,你都认为你喝咖啡的速度很正常,你的生活规律都没有被打乱,但别人可能看到你喝咖啡用了100年,而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。

爱因斯坦相对论的主要内容是在经典物理学的基础上引入相对性理论,把经典物理学的适用范围扩展到大空间高速度领域。

在人们试图测量绝对速度的时候发现,不但无法测量绝对速度,而且还发现了一个让经典物理学几乎崩溃的事实:速度是不能叠加的。一直以来让人坚信不移的速度叠加原理竟然是错的,使所有建立在叠加原理基础上的物理理论都面临颠覆的命运。
在这个情况下,爱因斯坦总结了前人的理论和实验,在此基础上提出了相对论物理学,重新确立了经典物理学在低速度、小空间范围内的正确性和权威性,扶大厦于将倾,巩固了经典物理学的权威地位,并通过引入相对性原理把经典物理学推广到了广域的宇宙空间的应用范围。

很多人以为相对论推翻了牛顿力学,其实正相反,是相对论巩固和发展了牛顿力学。
相对论对经典物理学的发展主要体现在下面几点上:

1、光速不变原理,
这一原理的提出起源于麦克尔逊-莫雷实验,实验发现光速不能与任何速度相叠加。
这使物理学界一片哗然,因为延用了上百年让人坚住不移的速度叠加原理竟然是错的。
许多物理学家都在思考这个问题,有人说是实验的误差,也有人干脆说经典物理学需要全面推翻重建新的物理体系。

爱因斯坦站在相对性原理的角度,重新审视了这个实验,悟出了一个重要的道理:
单独一个物体不存在速度的概念(这是唯一与经典物理学不同的地方,但是经典物理学不排斥速度的相对性,比如伽利略变换就建立在速度的相对性上。)。
速度只在相对另一物体时才存在。也就是说:一个物体的“速度”与这个物体本身没有关系,而中由与这个物体没有关系(这里说的关系是对上面的物理规律的影响)的另一物体来决定的。比如地面上某一点的速度:可以是相对人走的速度,可以是相对汽车的速度,甚至可以是相对流星的速度……。参照系可以任意选取,选取什么为参照系对地球表面上任何物理现象都没影响。然而光速怎么可能会随着人们选择不同的参照系就乱改变呢?因此爱因斯坦提出了光速不变的假设,注意当时只是假设,是相对论的萌芽初斯的想法。

他发现,问题就出在相对性上面了。
速度是两个物体之间的距离变化的快慢关系。因此,只在两个物体之间有意义。第三个物体不能直接参与评价。比如说:A与B相对速度是A与B距离变化的快慢关系,与C无关,C和B的相对速度是C与B的关系,与A无关。A与C之间的相对速度只在AC间有意义,与B无关。
假如A看C和B的相对速度,其实看到的是A与B的速度和A与C的速度,而不是真正的B与C的速度。但是两个速度之间应该能找到一个变换关系来间接获得B与C的相对速度,爱因斯坦开始寻找这个变换关系。
爱因斯坦注意到了洛伦兹变换,这个变换在洛伦兹推导出来后已被束之高阁了数十年没人理会了。连洛伦兹本人也不认为有什么重要价值。
通过一系列的实验、数学推导和论证,爱因斯坦最终发现,洛伦兹变换正是他要找的那个速度之间的变换关系。
这个变换使爱因斯坦完成了他的相对论的基础理论,被称为狭义相对论。

2、加速度与引力场:
F=ma,这是学过牛顿力学的人都能倒背如流的公式。在相对论中这个公式依然成立(有人说不成立了,那是对相对论的误解,相对论继承了除速度的叠加原理外的所有经典物理学的理论。)但是这一公式的内涵发生了扩充:a=F/m,这是在相对论中的公式。意思是加速度等于引力场强度(单位质量所受的引力)。

3、质能公式:
在相对论中,一切都是相对的,没有相对就不存在速度的概念,速度是两个物体相对距离变化快慢的物理量。单独一个物体不存距离的问题,因此也就更不会存在距离的变化(速度)问题。
换句话说,单独一个物体的速度没意义,可以是任意值。就像0/0没意义一样,因为0×任意数都是0,所以0/0是任意数。

由于F=ma,所以,质量转化成能量的公式就应该是:(两边乘距离S)FS=maS,即E=maS=mv²,但是,在相对论中,单独一个物体是没有速度概念的,所以这里的v一定是相对任何物体都恒定不变的值,那就是光速c。
换个角度来理解也可以,当m全部转化为能量时,m消失了,代之而来的是能量以光速辐射出去。所以得到质能公式为:E=mc².

4、时间的相对性:
a=v/t,t=v/a,a是引力场,t是时间,v是什么?一个物体没有速度,唯一的速度就是相对光的速度。因此时间公式就是 t=c/a,也就是说,时间与引力场强度成反比。

说明一下:原本有人认为这个公式前面应该有一个系数,因为 a=dv/dt,其中v又是t的函数,积分后应该会有一个常数。导致很多科学家(包括爱因斯坦)都在寻找这个常数(称为宇宙常数),一直没有结果。
我在这里把那个常数去掉了。因为我认为,那个常数有可能就是1。套一下这个公式,我们发现我们的 1秒=c/a的话,我们地球的加速度不是非常大吗?等于300000000牛顿/千克。
是的,我们相对太阳在旋转,相对银河在旋转,谁知道银河又在以什么样的速度绕什么地方旋转呢?而那个地方又在绕哪里旋转?我们在宇宙中所处的这个空间的引力场到底有多大谁又计算过呢?谁能证明不是300000000牛顿/千克?
我们用的质量单位是我们定义的,我们的力的单位也是我们定义的,我们的长度单位也是我们定义的,那么我们的时间不是也一样可以由我们来定义吗?我们把地球表面的引力场定义为g=9.8牛顿/千克,我们为什么不能把我们所处的空间总引力场强度定义为 c/t ?

5、空间的弯曲:
空间按维数划分为:0维(点),1维(线),2维(面),3维(立体),4维(时空)
0维空间不会弯曲,没资格。
1维空间可以弯曲,但是需要在二维空间表达。
2维空间可以弯曲,但是需要在三维空间表达。
低维空间的弯曲要在高维空间表达。
时间是相对的,因引力场的强度而改变,因此,四维空间也必然会弯曲,但是四维空间的弯曲必须在五维空间才能表达。因此,我们无法直接体会时空弯曲的形象是什么样的。只能借助数学表达。那就是某个轴的长度发生了变化。
引力场强度决定了时间轴,所就使空间发生了弯曲。

谁是20世纪最伟大的人?美国《时代》周刊通过数百位当世名人的遴选,爱因斯坦、富兰克林·罗斯福及甘地得票最高。而由英国物理学家史蒂芬·霍金撰文介绍的爱因斯坦,成为无可争议的20世纪最伟大的人。
史蒂芬·霍金教授,是当今世界最著名的物理学家,黑洞理论和“大爆炸”理论的创立人,著名的《时间简史》的作者。现任剑桥大学数学中心主席,这个职位是牛顿生前职位。
旅美学者翟宏营,曾获英国牛津大学物理研究所特殊颁证的物理学家,现任休斯顿大学研究员;张岚,现为休斯顿大学材料科学博士生,美国物理学会会员。他们将史蒂芬·霍金的文章译成中文,通过本报介绍给读者。文章告诉我们相对论是怎样的?它是如何描述世界的?为什么说相对论改变了整个世界?请欣赏这篇不可多得的出自当今世界最著名的物理学家之手的关于相对论的初级读物。——编者
十九世纪后期,科学家相信他们对宇宙的完整描述已经接近尾声。他们想象一种叫“以太”的连续介质充满了宇宙空间,就象空气中的声波一样,光线和电磁信号是“以太”中的波。
然而,与空间完全充满“以太”的思想相悖的结果不久就出现了:根据“以太”理论应得出,光线传播速度相对于“以太”应是一个定值,因此,如果你沿与光线传播相同的方向行进,你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速低;反之,如果你沿与光线传播相反的方向行进,你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速高。但是,一系列实验都没有找到造成光速差别的证据。
在这些实验当中,阿尔波特·迈克尔逊和埃迪沃德·莫里1887年在美国俄亥俄州克里夫兰的凯斯研究所所完成的测量,是最准确细致的。他们对比两束成直角的光线的传播速度,由于围着自转轴的转动和绕太阳的公转,根据推理,地球应穿行在“以太”中,因此上述成直角的两束光线应因地球的运动而测量到不同的速度,莫里发现,无论是昼夜或冬夏都未引起两束光线光速的不同。不论你是否运动,光线看起来总是以相对于你同样的速度传播。
爱尔兰物理学家乔治·费兹哥立德和荷兰物理学家亨卓克·洛仑兹,最早认为相对于“以太”运动的物体在运动方向的尺寸会收缩,而相对于“以太”运动的时钟会变慢。而对“以太”,费兹哥立德和洛仑兹当时都认为是一种真实存在的物质。
这时候,工作在瑞士首都伯尔尼的瑞士专利局的一个名叫阿尔波特·爱因斯坦的年轻人,插手“以太”说,并一次性永远地解决了光传播速度的问题。
在1905年的文章中,爱因斯坦指出,由于你无法探测出你是否相对于“以太”的运动,因此,关于“以太”的整个概念是多余的。相反,爱因斯坦认为科学定律对所有自由运动的观察者都应有相同的形式,无论观察者是如何运动的,他们都应该测量到同样的光速。
爱因斯坦的这个思想,要求人们放弃所有时钟测量到的那个普适的时间概念,结果是,每个人都有他自己的时间值:如果两个人是相对静止的,那么,他们的时间就是一致的;如果他们间存在相互的运动,他们观察到的时间就是不同的。
大量的实验证明了爱因斯坦的这个思想是正确的,一个绕地球旋转的精确的时钟,与存放在实验室中的精确时钟确有时间指示上的差别。如果你想延长你的生命,你就可以乘飞机向东飞行,这样可以叠加上地球旋转的速度,你无论如何可以获得那零点几秒的生命延长,也可以以此弥补因你进食航空食品而带来的损害。
爱因斯坦认为的对所有自由运动的观察者自然定律都相同这个前提,是相对论的基础,这样说的原因是因为,这个前提隐含了只有相对运动是重要的。虽然相对论的完美与简洁折服了许许多多科学家和哲学家,但是仍然有很多的相反意见。爱因斯坦摒弃了19世纪自然科学的两个绝对化观念:“以太”所隐含的绝对静止和所有时钟所测量得到的绝对或普适时间。人们不禁要问:相对论是否隐含了任何事物都是相对的而不再会有概念上绝对的标准了?
这种不安从20世纪20年代一直持续到30年代。1921年,爱因斯坦由于对光电效应的贡献,得到了诺贝尔物理奖【注1】,但由于相对论的复杂及有争议,诺贝尔奖的授予只字未提相对论。
到现在我仍然每周收到2至3封信,告诉我爱因斯坦错了。尽管如此,现在相对论被科学界完全接受,相对论的预言已经被无数的实验所证实。
相对论的一个重要结果是质量与能量的关系。爱因斯坦的假定光速对所有的观察者是相同的,暗示了没有可以超过光速运行的事物,如果给粒子或宇宙飞船不断地供应能量,会发生什么现象呢?被加速物体的质量就会增大,使得很难进行再快的加速,要想把一个粒子加速到光速是不可能的,因为那需要无限大的能量。质量与能量的等价关系被爱因斯坦总结在他的著名的质能方程“E=mc2”中,这或许是能被大街小巷妇孺皆知的唯一一个物理方程了。
铀原子核裂变成两个小的原子核时,由于很小一点的质量亏损,会释放出巨大的能量。这就是质能方程众多结论中的一个。1939年,第二次世界大战正阴云密布,一组意识到裂变反应应用的科学家说服爱因斯坦战胜自己是和平主义者的顾忌,去给当时的美国总统富兰克林·德拉诺·罗斯福写信,劝说美国开始核研究计划,这铸就了曼哈顿工程和1945年在广岛上空原子弹的爆炸。有人因原子弹而责备爱因斯坦发现了质能关系,但是这种责难就像因有飞机遇难折戟而责备牛顿发现了万有引力一样。爱因斯坦没有参与曼哈顿工程的任何过程并惊惧于那巨大的爆炸。
尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美,但它与牛顿的重力定律不相容。牛顿的重力理论表明,如果你改变空间的物质分布,整个宇宙中重力场的改变是同时发生的,这不但意味着你可以发送比光速传播更快的信号(这是为相对论所不容的),而且需要绝对或普适的时间概念,这又是为相对论所抛弃的。
爱因斯坦从1907年就知道了这个不相容的困难,那时他还在波恩的专利局工作,但直到1911年,爱因斯坦在德国的布拉格工作时,他才深入思考这个问题。爱因斯坦意识到加速与重力场的密切关系,在密封厢中的人,无法区分他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结果,还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。(这些都发生在“星际旅行”【注2】的时代之前,爱因斯坦是想到人处在电梯中而不是宇宙飞船中。但我们知道,如果不想让电梯碰撞的事情发生,你不能在电梯中加速或自由坠落许久)如果地球是完全平整的,人们可以说苹果因重力落在牛顿头上,与因牛顿与地球表面加速上升而造成了牛顿的头撞在苹果上是等价的。但是,这种加速与重力的等价在地球是圆形的前提下不再成立,因为在地球相反一面的人将会被反向加速,但两面观察者之间的距离却是不变的。
1912年在转回瑞士苏黎士时,爱因斯坦来了灵感,他意识到如果真实几何中引入一些调整,重力与加速的等价关系就可以成立。爱因斯坦想象,如果三维空间加上第四维的时间所形成的空间-时间实体是弯曲的,那结果是怎样的呢?他的思想是,质量和能量将会造成时空的弯曲,这在某些方面或许已经被证明。像行星和苹果,物体将趋向直线运动,但是,他们的径迹看起来会被重力场弯曲,因为时空被重力场弯曲了。
在他的朋友马歇尔·格卢斯曼的帮助下,爱因斯坦学习弯曲空间及表面的理论,这些抽象的理论,在玻恩哈德·瑞曼将它们发展起来时,从未想到与真实世界会有联系。1913年,在爱因斯坦与格卢斯曼合作发表的文章中,他们提出了一个思想:我们所认识的重力,只是时空是弯曲的事实的一种表述。但是,由于爱因斯坦的一个失误(爱因斯坦是个真正的人,也会犯错误),他们当时未能找出联系时空弯曲的曲率与蕴含于其中的能量质量的关系方程。
在柏林时,爱因斯坦继续就这个问题进行工作,他没有了家庭的烦扰【注3】,在很大程度上也未被战争所影响。1915年11月,爱因斯坦最终发现了联系时空弯曲与蕴含其中的能量质量的关系方程式。1915年夏天,在访问哥廷根大学期间,爱因斯坦曾与数学家戴维·希尔波特讨论过他的这个思想,希尔波特早于爱因斯坦几天也找到了同样的方程式。尽管如此,正如希尔波特所承认的,这种新理论的荣誉应属于爱因斯坦,而正是爱因斯坦将重力与弯曲时空联系起来。这还应感谢文明的德国,因为,是在那里,在当时的战争期间,这样的科学讨论及交流仍能够得以不受影响地进行,与20年后(指二战,编者注)所发生的事形成多么大的对比!
关于弯曲时空的新理论叫做“广义相对论”,以区别与原初不包含重力的理论,而那个理论被改称为“狭义相对论”。1919年,“广义相对论”被以颇为壮观的形式证明:当时的一只英国科学考察队远征到西非,在日食期间观察到天空中太阳附近一颗恒星位置的微小移动。正如爱因斯坦所预言的:恒星所发出的光线,在经过太阳附近时,由于太阳的引力而弯曲了。这是证明时空弯曲的一个直接证据,从公元前300年欧几里得完成他的《原本》后,这是一个人类感知他们存在于宇宙的最大的革命性的更新。
爱因斯坦的“广义相对论”将“时空”由被动的事件发生背景转化为动态宇宙中的主动参与者,这导致了居于科学前沿的一个巨大困难,在20世纪结束之际仍未解决。宇宙充满了物质,物质又导致时空弯曲而使得物体相互聚集。在用“广义相对论”解释静态的宇宙时,爱因斯坦发现他的方程式是无解的,为变通他的方程式而适应静态宇宙,爱因斯坦加入了一个称为“宇宙常量”的项,这个“宇宙常量”将时空再弯曲,以使所有的物体分离开,“宇宙”常量引入的排斥效果将平衡物体的相互吸引作用而允许宇宙的长久平衡。
事实上,这成了在理论物理历史上人类丧失的最大机遇之一。如果爱因斯坦继续在这一方向上工作下去而不是变通的引入“宇宙常量”,他可能能够预言宇宙是在扩张还是在收缩。然而,直到20年代,当坐落在威尔逊山上的100英寸的天文望远镜观察到离我们越远的星系在以越快的速度远离我们时,宇宙依时间而变化的可能性才被郑重地加以考虑。换一句话说,宇宙正在扩展,任何两个星系之间的距离正在随着时间的推移而稳定地增加。爱因斯坦后来称“宇宙常量”的提出是他一生中最严重的错误。
“广义相对论”彻底改变了人们对宇宙的起源及归宿的讨论方向。静止的宇宙可能会永久存在,或者说,在过去的某个时间,当这一静止的宇宙产生时,它就已经是现在的形态了。从另一方面来说,如果现在星系们正在彼此远离,它们在过去的时间里应该是彼此之间更为接近的。在大约150亿年前,它们甚至可能彼此接触,相互重叠,而且它们的密度可能是无穷大。根据“广义相对论”,宇宙大爆炸标志着宇宙的起源,时间的开始。从这个意义上说,爱因斯坦不仅仅是过去100年中最伟大的人物,他应该获得人们更长久的尊重。
在黑洞中,空间与时间是如此的弯曲,以至于黑洞吸收了所有的光线,没有一丝光线可以逃逸。“广义相对论”因此预言时间应终止于黑洞中。但是,广义相对论方程并不适用于时间的开始与终结这两种极端情形。因而这一理论并不能揭示从大爆炸中究竟产生了什么。一些人认为这是上帝万能的一种象征,上帝可以以他想要的方式来开创宇宙。
但是另一些人(包括我自己)认为宇宙的起源应该服从于一种任何时候都成立的普适原理。在朝这一方向的努力中,我们已取得了一些进展,但距完全理解宇宙的起源还相差甚远。广义相对论不能适用于大爆炸的原因在于,它与20世纪初另一伟大的概念性的突破———量子理论并不相容。量子理论的最初提出是在1900年,当时在柏林工作的麦克斯·普朗发现,从红热物体上发出的辐射可以解释为光线是以有特定大小的能量单元发出的,普朗克把这种能量单元称为量子。打一个比方,辐射像是一包包的白糖,在超级市场里,并不是你想要多少的量都行,你只能买每袋一磅的包装。1905年,爱因斯坦在他撰写的一篇论文中,提到普朗克的量子假设可能可以解释光电效应,即某些金属在收到光照时会释放电子的现象。这一效应是现代光探测器和电视照相得以应用的基础,爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔奖。
爱因斯坦对量子构想的研究直至20年代,当时哥本哈根的华纳·海森堡、剑桥的保尔·狄拉克以及苏黎士的埃文·薛定谔提出了量子机制,从而展示了描述现实的新画卷。根据他们的理论,小粒子不再具有确定的位置和速度,相反,小粒子的位置测得越精确,它的速度测量就愈不准确。反之亦然。
对于这种基本定律中的任意性和不可预知性,爱因斯坦惶惑不已,他最终未能接受量子机制。他的著名的“上帝并未在掷骰子”的格言就表达出了这一感受。虽然如此,大多数科学家都接受了全新的量子机制定律,并对其适用性加以承认,因为这些定律不但与实验结果吻合极好,而且可以解释许多先前无法解释的现象。这些定律成了当代化学、分子生物学以及电子学得以发展的基础,也是在过去半个世纪内改变整个世界的科技基石。
1933年,纳粹统治了德国,爱因斯坦离开了这个国家,也放弃了他的德国国籍。他在新泽西州普林斯顿的尖端科学研究所度过了他生命最后22年的时光。纳粹发起了一场反对“犹太科学”及犹太科学家的运动(犹太科学家被驱逐是德国未能建成原子弹的原因之一),而爱因斯坦及他的相对论是这场运动的主要目标。当被告知一本名为《反对爱因斯坦的100位科学家》的书得以出版时,爱因斯坦回答,为什么要100位?一位就足以证明我错了,如果我真的错了的话。
二战后,他敦促盟军设立一个全球机构以控制核武器。1952年,他被刚成立的以色列授予总统职位,但他拒绝了。“政治是暂时的,”他写道,“而方程式是永恒的。”广义相对论方程是他最好的墓志铭和纪念碑。它们与宇宙一起永不腐朽。
在过去的100年中,世界经历了前所未有的变化。其原因并不在于政治,也不在于经济,而在于科学技术———直接源于先进的基础科学研究的科学技术。没有科学家能比爱因斯坦更代表这种科学的先进性。(本文略有删节)
【注1】爱因斯坦早在1919年与他的苏黎士专门学院同学、塞尔维亚族妻子米列娃·玛莉科离婚时,就已经答应将诺贝尔奖给予她。当时爱因斯坦已经确信自己将可以得到诺贝尔奖,只是没有想到获奖是由于他对光电效应的贡献。
【注2】星际旅行,“StarTrek”是全美正在上映的热门电视剧。
【注3】米列娃·玛莉科初陪爱因斯坦到柏林,旋即离开,携他们的两个儿子回瑞士,三年后离婚。后爱因斯坦与有一个女儿的当时离异的表妹爱尔莎结合,爱尔莎给予了爱因斯坦无微不至的关怀,伴他度过探索“广义相对论”的岁月。玛莉科对爱因斯坦创立“狭义相对论”有所贡献,但她从未提起,离婚后她从事数学和物理教学。

空间与时间在相对论里是互相联系、不可分割的一个整体的两个不同侧面,在霍金讲时间的书里不可避免地要谈到空间和爱因斯坦的相对论,爱因斯坦的相对论是这两本书共同的理论基础与出发点。而在我们大学的物理教学里,相对论完全是爱因斯坦根据光速不变性和相对性原理作出的逻辑推论,顶多也只是提到洛伦兹的唯象理论已经在爱因斯坦之前给出了洛伦兹变换公式,和法国著名数学家庞加莱 H.Poincare 在1904年的圣路易演讲中已经提出了相对论的基本思想。按照这种讲法,相对论就完全成为爱因斯坦个人的天才创造,成为物理学发展中一个孤立的偶然事件和奇迹 miracle 。

这么高深的研究啊,学习学习

我也想知道.


晨读感悟:如果能问爱因斯坦一个问题,你会问什么?
当时爱因斯坦正在煮咖啡,房间里没弥漫着咖啡的香味以及爱因斯坦的烟斗味。学生坐下后,问出来了那个问题:“爱因斯坦先生,请你告诉我,这个世界上你认为最重要的科学问题是什么?我不需要这个问题的答案,我只想知道,作为全世界最聪明的科学家,你觉得这个世界上最重要的科学问题是什么?”爱因斯坦说,这...

爱因斯坦做出的贡献
1、相对论 相对论(英语:Theory of relativity)是关于时空和引力的理论,主要由爱因斯坦创立,依其研究对象的不同可分为狭义相对论和广义相对论。相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化,它们共同奠定了现代物理学的基础。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时...

爱因斯坦研究问题运用的科学方法
就是想问下爱因斯坦研究问题或者提出的那些理论,运用了那些科学研究方法!(科学研究方法在http:\/\/baike.baidu.com\/view\/437135.htm有)!我现在是分不清楚了!我不要百科的那些啊,... 就是想问下爱因斯坦研究问题或者提出的那些理论,运用了那些科学研究方法!(科学研究方法在http:\/\/baike.baidu.com\/view\/437135.htm...

谁有爱因斯坦的故事啊?
并约定,爱因斯坦于1922年12月中旬来华,然而直到12月30日,爱因斯坦才从日本到达上海,但是在上海逗留两天,直接乘船去了新加坡,没有前往北京。蔡元培一直等不到爱因斯坦的消息,就写了一封诚挚的信去催问,并重申了以前谈妥的条件。爱因斯坦回信:说上海有一个叫斐司德博士的人,受了蔡元培的全权委托,向爱因斯坦又提出了违背...

爱因斯坦的问题
爱因斯坦出的测试题,据说世界98%的人答不出!来看看这道爱因斯坦出的测试题, 他说世界上有98%的人回答不出,看看你是否属于另外的2%:谁养鱼?1。在一条街上,有5座房子,喷了5种颜色。2。每个房子里住着不同国籍的人。3。每个人喝着不同的饮料,抽不同品牌的香烟,养不同的宠物。问题是:谁...

号称世界上最难的问题!爱因斯坦在20世纪初出的这个谜语。他说世界上...
问:邻居这个问题出自爱因斯坦,据他说,98%的人都做不出来。有一排五间房子,每一间房子的颜色都不同。在这些房子里住着五个不同国籍的人。每个人喂养了不同的动物,喜欢不同的饮料,抽不同的雪茄。英国人住在红色房子里。瑞典人养狗。丹麦人喝茶。绿色的房子在白色房子的左边。绿色房子的主人喜欢...

爱因斯坦的成功公式即 W=X+Y+Z 我想问这几个字母的原始英文是什么?
w代表成功,x代表超人的勤奋,y代表不同的方法,z代表不说不该说的话。

看了些关于爱因斯坦的理论,就想问一个问题:宇宙边际以外是什么物质?忘...
霍金说过:讨论宇宙之外是什么这个问题没有意义. 但我想说,宇宙之外没有时间,没有物质,这符合逻辑。 好比我们生活在一个球的表面上,始终绕也绕不出这个球的表面,外部与我们不相干,况且也没有外部。 宇宙处于不断扩张之中,宇宙为什么要扩张? 因为它的外部没有空间与时间,这样你就更好理...

科学家的故事(短点的)
1.有一天明文全球的大科学家爱因斯坦回家时,边走边想问题,不知不觉走道了一个陌生的地方。当地发现自己迷了路时,想问别人,却偏偏忘了自己家的住址。幸好他还记得他的办公室的电话号码,就往办公室打了一个电话,他怕秘书笑话,就假装别人询问:“请问,爱因斯坦的家住在哪里?”秘书没有听出是爱因斯坦的声音,就说:...

爱因斯坦相对论的问题
最简单的回答是:你们两个地位不是一样的。你始终处于一个惯性系,而你的朋友需要经过减速和加速过程才能返回地球,在这个过程中他的参照系不是惯性系。而相对论中的钟慢公式只对于惯性系才成立。最终结论是,你会比你的朋友老。如果你不满足于上述回答的话,也可以继续问我。首先,你的两种情况一定...

武江区17092303993: 爱因斯坦的相对论主要讲的是什么? -
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蔡标康力: 广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论之后,深入研究引力理论,于1913年提出的引力场的相对论理论.这一理论完全不同于牛顿的引力论,它把引力场归结为物体周围的时空弯曲,把物体受引力作用而运动,归结为物体在弯曲时空中沿短程线的...

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蔡标康力: 广义的相对论是指相对概念的论述,最常见的相对概念是大-小、多-少,相对于1,10是多的,相对于100,10是少的.通常所说的相对论,特指爱因斯坦相对论.相对论的产生,全部是由特定的人从特定的角度去论述问题,而全面的论述问题,无...

武江区17092303993: 爱因斯坦的相对论 -
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蔡标康力: 爱因斯坦相对论有狭义相对论和广义相对论.1905年爱因斯坦提出的狭义相对论认为一切惯性系都是等价的,它破除了绝对时空观,时间和空间互相纠缠,并且和物体的运动有关.另外还指出质量和能量可以转换E=mc^2,原子弹就是根据这个理论制成的.1915年爱因斯坦又提出了广义相对论,认为一切惯性系和非惯性系全都等价,它认为引力可以使空间弯曲,在解释天体运行的规律上获得了成功,被认为是领先时代50年的理论.上面都是我自己写的,不算权威但我想你能看懂.其实百度百科里面就有详细的介绍,有兴趣慢慢看:http://baike.baidu.com/view/4243.htm

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