关与科学家的事迹

【专家解说】：艾伯特·爱因斯坦于1879年3月14日德国小城乌尔姆出生父母都犹太人爱因斯坦有幸福童年父亲位平静、温顺好心人爱好文学和数学母亲性较强喜爱音乐并影响了爱因斯坦爱因斯坦从六岁起学小提琴从此小提琴成终生伴侣爱因斯坦父母对有着良好影响和家庭教育家弥漫着自由精神和祥和气氛 和牛顿样爱因斯坦年幼时也未显出智力超群相反了四岁多还会说家里人甚至担心低能儿六岁时进入了国民学校十分沉静孩子喜欢玩些需要耐心和坚韧游戏例用纸片搭房子1888年进入了学学业也突出除了数学好外其功课都样尤其拉丁文和希腊文对古典语言毫无兴趣当时德国学校必须接受宗教教育开始时爱因斯坦非常认真当读了通俗科学书籍认识宗教里有许多故事真实12岁时放弃了对宗教信仰并对所有权威和社会环境信念产生了怀疑并发展成种自由思想爱因斯坦发现周围有巨大自世界离开人类独立存象永恒谜看许多非常尊敬和钦佩人专心从事项事业时找了内心自由和安宁于少年时代爱因斯坦选择了科学事业希望掌握自世界奥秘而旦选择了道路坚持懈地走了下去从来没有悔过 1895年爱因斯坦来瑞士苏黎世准备投考苏黎世联邦工业大学虽数学和物理考得错其科目没有考好学校校长推荐去瑞士阿劳州立学学习年补齐功课阿劳州立学段时光使爱因斯坦感快乐尝了瑞士自由空气和阳光并决心放弃德国国籍 1896年爱因斯坦正式成无国籍人并考进了联邦工业大学大学期间爱因斯坦迷上了物理学方面阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人著作钻研了麦克斯韦电磁理论和马赫力学并经常去理论物理学教授家请教另方面大部分时间去物理实验室去做实验迷恋于直接观察和测量1900年爱因斯坦大学毕业1901年获得了瑞士国籍1902年朋友格罗斯曼帮助下爱因斯坦终于伯尔尼瑞士联邦专利局找了份稳定工作--当技术员 狭义相对论创立 早16岁时爱因斯坦从书本上了解光快速度前进电磁波产生了想法人光速度运动看幅样世界景象呢看前进光只能看空间里振荡着却停滞前电磁场种事能发生 与此相联系非常想探讨与光波有关所谓太问题太名词源于希腊用代表组成天上物体基本元素17世纪笛卡尔首次引入科学作传播光媒质其惠更斯进步发展了太学说认荷载光波媒介物太应该充满包括真空内全部空间并能渗透通常物质与惠更斯看法同牛顿提出了光微粒说牛顿认发光体发射出直线运动微粒粒子流粒子流冲击视网膜引起视觉18世纪牛顿微粒说占了上风而了19世纪却波动说占了绝对优势太学说也因此大大发展当时看法波传播要依赖于媒质因光真空传播传播光波媒质充满整空间太也叫光太与此同时电磁学得了蓬勃发展经过麦克斯韦、赫兹等人努力形成了成熟电磁现象动力学理论--电动力学并从理论与实践上光和电磁现象统起来认光定频率范围内电磁波从而光波动理论与电磁理论统起来太仅光波载体也成了电磁场载体直19世纪末人们企图寻找太而从未实验发现太 电动力学遇了重大问题与牛顿力学所遵从相对性原理致关于相对性原理思想早伽利略和牛顿时期已经有了电磁学发展初也纳入牛顿力学框架解释运动物体电磁过程时却遇了困难按照麦克斯韦理论真空电磁波速度也光速度恒量而按照牛顿力学速度加法原理同惯性系光速同出现了问题:适用于力学相对性原理否适用于电磁学例有两辆汽车辆向驶近辆驶离看前辆车灯光向靠近辆车灯光远离按照麦克斯韦理论两种光速度相同汽车速度其起作用根据伽利略理论两项测量结同向驶来车发出光加速即前车光速=光速+车速;而驶离车光速较慢因车光速=光速-车速麦克斯韦与伽利略关于速度说法明显相悖我们何解决分歧呢 19世纪理论物理学达了巅峰状态其也隐含着巨大危机海王星发现显示出牛顿力学无比强大理论威力电磁学与力学统使物理学显示出种形式上完整并被誉座庄严雄伟建筑体系和动人心弦美丽庙堂人们心目古典物理学已经达了近乎完美程度德国著名物理学家普朗克年轻时曾向老师表示要献身于理论物理学老师劝说:年轻人物理学门已经完成了科学会再有多大发展了生献给门学科太惜了 爱因斯坦似乎构建崭新物理学大厦人伯尔尼专利局日子里爱因斯坦广泛关注物理学界前沿动态许多问题上深入思考并形成了自己独特见解十年探索过程爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论特别经过赫兹和洛伦兹发展和阐述电动力学爱因斯坦坚信电磁理论完全正确有问题使安绝对参照系太存阅读了许多著作发现所有人试图证明太存试验都失败经过研究爱因斯坦发现除了作绝对参照系和电磁场荷载物外太洛伦兹理论已经没有实际意义于想:及绝对参照系必要电磁场定要有荷载物 爱因斯坦喜欢阅读哲学著作并从哲学吸收思想营养相信世界统性和逻辑致性相对性原理已经力学被广泛证明电动力学却无法成立对于物理学两理论体系逻辑上致爱因斯坦提出了怀疑认相对论原理应该普遍成立因此电磁理论对于各惯性系应该具有同样形式里出现了光速问题光速变量还变量成相对性原理否普遍成立首要问题当时物理学家般都相信太也相信存着绝对参照系受牛顿绝对空间概念影响19世纪末马赫所著《发展力学》批判了牛顿绝对时空观给爱因斯坦留下了深刻印象1905年5月天爱因斯坦与朋友贝索讨论已探索了十年问题贝索按照马赫主义观点阐述了自己看法两人讨论了久突爱因斯坦领悟了回家经过反复思考终于想明白了问题第二天又来贝索家说:谢谢我问题解决了原来爱因斯坦想清楚了件事:时间没有绝对定义时间与光信号速度有种分割联系找了开锁钥匙经过五星期努力工作爱因斯坦把狭义相对论呈现人们面前 1905年6月30日德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦论文《论动体电动力学》同年9月该刊上发表篇论文关于狭义相对论第篇文章包含了狭义相对论基本思想和基本内容狭义相对论所根据两条原理:相对性原理和光速变原理爱因斯坦解决问题出发点坚信相对性原理伽利略早阐明过相对性原理思想没有对时间和空间给出过明确定义牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动问题上矛盾而爱因斯坦大大发展了相对性原理看来根本存绝对静止空间同样存绝对同时间所有时间和空间都和运动物体联系起对于任何参照系和坐标系都只有属于参照系和坐标系空间和时间对于切惯性系运用该参照系空间和时间所表达物理规律们形式都相同相对性原理严格地说狭义相对性原理篇文章爱因斯坦没有多讨论光速变作基本原理根据提出光速变大胆假设从电磁理论和相对性原理要求而提出来篇文章爱因斯坦多年来思考太与电动力学问题结从同时相对性点作突破口建立了全新时间和空间理论并新时空理论基础上给动体电动力学完整形式太再必要太漂流存 同时性相对性同地方两事件我们何知道同时发生呢般来说我们会通过信号来确认了得知异地事件同时性我们得知道信号传递速度何没出速度呢我们必须测出两地空间距离及信号传递所需时间空间距离测量简单麻烦于测量时间我们必须假定两地各有只已经对好了钟从两钟读数知道信号传播时间我们何知道异地钟对好了呢答案还需要种信号信号能否钟对好按照先前思路又需要种新信号样无穷退异地同时性实际上无法确认过有点明确同时性必与种信号相联系否则我们说两件事同时发生没有意义 光信号能用来对时钟合适信号光速无限大样产生新奇结论对于静止观察者同时两件事对于运动观察者同时我们设想高速运行列车速度接近光速列车通过站台时甲站站台上有两道闪电甲眼前闪过道火车前端道端并火车两端及平台相应部位留下痕迹通过测量甲与列车两端间距相等得出结论甲同时看两道闪电因此对甲来说收两光信号同时间间隔内传播同样距离并同时达所位置两起事件必同时间发生们同时对于列车内部正央乙情况则同因乙与高速运行列车同运动因此会先截取向着传播前端信号收从端传来光信号对乙来说两起事件同时也说同时性绝对而取决于观察者运动状态结论否定了牛顿力学引基础绝对时间和绝对空间框架 相对论认光速所有惯性参考系变物体运动大速度由于相对论效应运动物体长度会变短运动物体时间膨胀由于日常生活所遇问题运动速度都低(与光速相比)看出相对论效应 爱因斯坦时空观彻底变革基础上建立了相对论力学指出质量随着速度增加而增加当速度接近光速时质量趋于无穷大并且给出了著名质能关系式:E=mc2质能关系式对来发展原子能事业起了指导作用 广义相对论建立 1905年爱因斯坦发表了关于狭义相对论第篇文章并没有立即引起大反响德国物理学权威人士普朗克注意了文章认爱因斯坦工作与哥白尼相媲美正由于普朗克推动相对论快成人们研究和讨论课题爱因斯坦也受了学术界注意 1907年爱因斯坦听从友人建议提交了篇著名论文申请联邦工业大学编外讲师职位得答复论文无法理解虽德国物理学界爱因斯坦已经有名气瑞士却得大学教职许多有名望人开始鸣平1908年爱因斯坦终于得了编外讲师职位并第二年当上了副教授1912年爱因斯坦当上了教授1913年应普朗克之邀担任新成立威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授 此期间爱因斯坦考虑已经建立相对论推广对于来说有两问题使安第引力问题狭义相对论对于力学、热力学和电动力学物理规律正确能解释引力问题牛顿引力理论超距两物体之间引力作用瞬间传递即无穷大速度传递与相对论依据场观点和极限光速冲突第二非惯性系问题狭义相对论与前物理学规律样都只适用于惯性系事实上却难找真正惯性系从逻辑上说切自规律应该局限于惯性系必须考虑非惯性系狭义相对论难解释所谓双生了佯谬该佯谬说有对孪生兄弟哥宇宙飞船上接近光速速度做宇宙航行根据相对论效应高速运动时钟变慢等哥哥回来弟弟已经变得老了因地球上已经经历了几十年而按照相对性原理飞船相对于地球高速运动地球相对于飞船也高速运动弟弟看哥哥变年轻了哥哥看弟弟也应该年轻了问题简直没法回答实际上狭义相对论只处理匀速直线运动而哥哥要回来必须经过变速运动过程相对论无法处理正人们忙于理解相对狭义相对论时爱因斯坦正接受完成广义相对论 1907年爱因斯坦撰写了关于狭义相对论长篇文章《关于相对性原理和由此得出结论》篇文章爱因斯坦第次提了等效原理此爱因斯坦关于等效原理思想又断发展惯性质量和引力质量成正比自规律作等效原理根据提出无限小体积均匀引力场完全代替加速运动参照系爱因斯坦并且提出了封闭箱说法:封闭箱观察者管用方法也无法确定究竟静止于引力场还处没有引力场却作加速运动空间解释等效原理常用说法而惯性质量与引力质量相等等效原理自推论 1915年11月爱因斯坦先向普鲁士科学院提交了四篇论文四篇论文提出了新看法证明了水星近日点进动并给出了正确引力场方程至此广义相对论基本问题都解决了广义相对论诞生了1916年爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论基础》篇文章爱因斯坦首先前适用于惯性系相对论称狭义相对论只对于惯性系物理规律同样成立原理称狭义相对性原理并进步表述了广义相对性原理:物理学定律必须对于无论哪种方式运动着参照系都成立 爱因斯坦广义相对论认由于有物质存空间和时间会发生弯曲而引力场实际上弯曲时空爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲理论好地解释了水星近日点进动直无法解释43秒广义相对论第二大预言引力红移即强引力场光谱向红端移动20年代天文学家天文观测证实了点广义相对论第三大预言引力场使光线偏转靠近地球大引力场太阳引力场爱因斯坦预言遥远星光掠过太阳表面会发生点七秒偏转1919年英国天文学家爱丁顿鼓动下英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食经过认真研究得出结论:星光太阳附近确发生了点七秒偏转英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告确认广义相对论结论正确会上著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说:自从牛顿时代来所取得关于万有引力理论重大成爱因斯坦相对论人类思想伟大成之爱因斯坦成了新闻人物1916年写了本通俗介绍相对认书《狭义相对论与广义相对论浅说》1922年已经再版了40次还被译成了十几种文字广流传 相对论意义 狭义相对论和广义相对论建立来已经过去了长时间经受住了实践和历史考验人们普遍承认真理相对论对于现代物理学发展和现代人类思相发展都有巨大影响 相对论从逻辑思想上统了经典物理学使经典物理学成完美科学体系狭义相对论狭义相对性原理基础上统了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两体系指出们都服从狭义相对性原理都对洛伦兹变换协变牛顿力学只过物体低速运动下好近似规律广义相对论又广义协变基础上通过等效原理建立了局域惯性长与普遍参照系数之间关系得了所有物理规律广义协变形式并建立了广义协变引力理论而牛顿引力理论只级近似从根本上解决了前物理学只限于惯性系数问题从逻辑上得了合理安排相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动些物理学基本概念给出了科学而系统时空观和物质观从而使物理学逻辑上成完美科学体系 狭义相对论给出了物体高速运动下运动规律并提示了质量与能量相当给出了质能关系式两项成对低速运动宏观物体并明显研究微观粒子时却显示了极端重要性因微观粒子运动速度般都比较快有接近甚至达光速所粒子物理学离开相对论质能关系式仅量子理论建立和发展创造了必要条件而且原子核物理学发展和应用提供了根据 广义相对论建立了完善引力理论而引力理论主要涉及天体现相对论宇宙学进步发展而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理些属于相对论天体物理学分支学科都有定进展吸引了许多科学家进行研究 位法国物理学家曾经样评价爱因斯坦:我们时代物理学家爱因斯坦位于前列现、来也还人类宇宙有光辉巨星之按照我看法也许比牛顿更伟大因对于科学贡献更加深入地进入了人类思想基本要领结构