狹義相對論的建立:早在16年，愛因斯坦就從書上了解到，光是壹種速度非常快的電磁波。他有壹個主意。如果壹個人以光速運動，會看到什麽樣的世界場景？他不會看到前進的光，只會看到在空間振蕩卻停滯不前的電磁場。這可能發生嗎？聯系到這壹點，他很想討論與光波有關的所謂以太問題。以太壹詞來自希臘，用來表示構成天空中物體的基本元素。17世紀，笛卡爾首次將其引入科學，作為傳播光的媒介。後來惠更斯進壹步發展了以太理論，認為承載光波的介質是以太，應該充滿包括真空在內的所有空間，滲透到普通物質中。與惠更斯的觀點不同，牛頓提出了光的粒子說。牛頓認為，發光體發射出壹股直線運動的粒子流，粒子流對視網膜的沖擊造成了視覺。18世紀盛行牛頓的粒子說，但19世紀盛行的是波動說，以太的理論有了很大的發展。當時的觀點是波的傳播依賴於介質，因為光可以在真空中傳播，傳播光波的介質就是充滿整個空間的以太，也叫光以太。與此同時，電磁學得到了蓬勃發展。在麥克斯韋、赫茲等人的努力下，形成了成熟的電磁現象的動力學理論——電動力學，在理論和實踐上統壹了光和電磁現象，把光看成是壹定頻率範圍內的電磁波，從而統壹了光的波動理論和電磁理論。以太不僅是光波的載體，也是電磁場的載體。直到19年底，人們試圖尋找以太，但在實驗中始終沒有找到以太。但是電動力學遇到了壹個大問題，與牛頓力學遵循的相對性原理不壹致。相對論原理的思想早在伽利略和牛頓時代就存在了。電磁學的發展本來是包含在牛頓力學的框架內，但是在解釋運動物體的電磁過程時遇到了困難。根據麥克斯韋理論，電磁波在真空中的速度，也就是光速，是壹個常數。但根據牛頓力學的速度相加原理，不同慣性系中的光速是不同的，這就引出了壹個問題:適用於力學的相對性原理是否適用於電磁學？比如有兩輛車，壹輛在向妳靠近，壹輛在離開。妳看到前車的燈在向妳靠近，後車的燈在遠處。根據麥克斯韋理論，這兩種光的速度是壹樣的，汽車的速度在其中不起作用。但根據伽利略的理論，這兩項的測量結果是不同的。朝妳開來的車會加速發出的光，也就是前車的光速=光速+速度；光離開汽車的速度更慢，因為汽車後面的光速=光速-光速。麥克斯韋和伽利略關於速度的說法顯然是相反的。我們如何解決這個分歧？理論物理在19世紀達到頂峰，但也隱含著巨大的危機。海王星的發現顯示了牛頓力學無可比擬的理論力量，電磁學和力學的統壹使物理學呈現出形式上的整體性，被譽為“莊嚴雄偉的建築體系和感人至深的美麗殿堂”。在人們的心目中，經典物理學已經到了近乎完美的地步。德國著名物理學家普朗克年輕時告訴老師，他要投身於理論物理。老師勸他:“小夥子，物理是壹門已經完成的科學，不會再有進壹步的發展了。把他的壹生奉獻給這個學科，真可惜。”愛因斯坦似乎是那個將要建造壹座嶄新的物理大樓的人。愛因斯坦在伯爾尼專利局期間，廣泛關註物理學的前沿動態，對許多問題進行了深入思考，形成了自己獨特的觀點。在十年的探索過程中，愛因斯坦認真學習了麥克斯韋的電磁理論，尤其是赫茲和洛倫茲發展和闡述的電動力學。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的，但有壹個問題讓他不安，那就是絕對參照系以太的存在。他看了很多書，發現所有證明以太存在的實驗都失敗了。愛因斯坦研究後發現，以太在洛倫茲理論中除了作為絕對參考系和電磁場的負載外，沒有任何實際意義。於是他想:以太的絕對參照系有必要嗎？電磁場壹定要加載嗎？愛因斯坦喜歡閱讀哲學著作，從哲學中吸取思想營養。他相信世界的統壹性和邏輯的壹致性。相對性原理在力學中已被廣泛證明，但在電動力學中不能成立。愛因斯坦對物理學的兩個理論體系之間的邏輯不壹致提出了質疑。他認為相對性原理應該是普遍成立的，所以對於每個慣性系，電磁理論應該有相同的形式，但這裏出現了光速的問題。光速是恒定的還是可變的，成為相對論原理是否普遍成立的首要問題。當時的物理學家普遍相信以太，即有壹個絕對的參照系，這是受牛頓絕對空間概念的影響。19年底，馬赫在《發展中的力學》中批判了牛頓的絕對時空觀，給愛因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的壹天，愛因斯坦和壹個朋友貝佐討論了這個探索了十年的問題。貝佐根據馬赫主義的觀點闡述了他的觀點，他們對此進行了長時間的討論。突然，愛因斯坦意識到了什麽，回家反復思考，終於想通了。第二天，他又來到貝佐家，說，謝謝妳，我的問題已經解決了。原來愛因斯坦想清楚了壹件事:時間沒有絕對的定義，時間和光信號的速度有著密不可分的關系。他找到了這把鎖的鑰匙，經過五周的努力，愛因斯坦向人們展示了狹義相對論。1905年6月30日，《德國物理學年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論運動物體的電動力學》，並於同年9月發表。本文是關於狹義相對論的第壹篇文章，包含了狹義相對論的基本思想和內容。狹義相對論基於兩個原理:相對性原理和光速不變原理。愛因斯坦解決問題的出發點是堅信相對論原理。伽利略首先闡述了相對性原理的思想，但他沒有給出時間和空間的明確定義。牛頓在建立力學體系的時候也講了相對論，但是他也定義了絕對空間，絕對時間，絕對運動。他在這個問題上自相矛盾。愛因斯坦極大地發展了相對論原理。在他看來，沒有絕對靜止的空間，也沒有絕對不變的時間。所有的時間和空間都與運動的物體聯系在壹起。對於任何壹個參考系和坐標系，都只有屬於這個參考系和坐標系的空間和時間。對於所有的慣性系來說，參照系的空間和時間所表達的物理規律在形式上是相同的，這就是相對性原理，嚴格來說就是狹義的相對性原理。在這篇文章中，愛因斯坦對於以光速不變作為基本原理的基礎並沒有過多的論述。他提出光速不變是壹個大膽的假設，是從電磁理論和相對論原理的要求提出來的。這篇文章是愛因斯坦對以太和電動力學思考多年的結果。他同時從相對論的角度建立了壹種全新的時空理論，並在這種新的時空理論的基礎上給出了運動物體電動力學的完整形式。以太不再必要，以太漂移不存在。同時的相對性是什麽？我們怎麽知道兩個不同地方的事件同時發生？壹般來說，我們會通過信號來確認。為了知道不同地方事件的同時性，我們必須知道信號傳輸的速度，但是如何測量這個速度呢？我們必須測量兩地之間的空間距離和信號傳輸所需的時間。空間距離的測量很簡單，但麻煩在於測量時間。我們必須假設每個地方都有壹個已經對準的時鐘，從兩個時鐘的讀數可以知道信號的傳播時間。但是我們怎麽知道不同地方的時鐘是對的呢？答案是需要另壹個信號。這個信號能把鐘撥準嗎？如果按照之前的思路，它需要壹個新的信號，所以會無限後退，異地的同時性無法確認。但有壹點是明確的，同時性必須與壹個信號相關聯，否則說這兩件事同時發生是沒有意義的。光信號可能是最適合時鐘的信號，但光速不是無限的，這導致了壹個新穎的結論，即對於靜止的觀察者來說兩件事同時發生對於運動的觀察者來說並不同時發生。讓我們想象壹列高速列車，它的速度接近光速。當列車經過站臺時，A站在站臺上，A眼前出現兩道閃電，壹道在列車的前端，另壹道在後端，在列車兩端和站臺的相應部位都留下了痕跡。通過測量，A和列車兩端距離相等，結論是A同時看到了兩道閃電。因此，對於A，兩個接收到的光信號在相同的時間間隔內傳播相同的距離，同時到達他的位置。這兩件事必須同時發生，而且是同時發生的。但是對於在列車中央的B來說，情況就不壹樣了，因為B是隨著高速列車移動的，所以他會先截取向他傳播的前端信號，然後再接收後端的光信號。對於B來說，這兩個事件在同壹時間是不同的。換句話說，同時性不是絕對的，而是取決於觀察者的運動狀態。這個結論否定了基於牛頓力學的絕對時間和絕對空間的框架。相對論認為光速在所有慣性參照系中都是恒定的，是物體運動的最大速度。由於相對論效應，運動物體的長度會變短，運動物體的時間會膨脹。但由於日常生活中遇到的問題，運動速度很低(與光速相比)，看不到相對論效應。愛因斯坦在徹底改變時空觀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，質量趨於無窮大。他還給出壹個著名的質能關系式:E = MC ^ 2，對後來原子能的發展起到了指導作用。廣義相對論的建立:1905年，愛因斯坦發表了第壹篇關於狹義相對論的文章，並沒有立即引起很大的反響。但是德國物理學權威普朗克註意到了他的文章，認為愛因斯坦的工作可以和哥白尼相媲美。正是由於普朗克的推動，相對論迅速成為研究和討論的話題，愛因斯坦也引起了學術界的關註。1907年，愛因斯坦聽從了朋友的建議，提交了那篇著名的論文，申請聯邦理工大學的編外講師職位，但得到的答復是論文看不懂。雖然愛因斯坦在德國物理學界很有名氣，但在瑞士，他在壹所大學裏找不到教職，許多知名人士開始為他叫苦。1908年，愛因斯坦終於得到了編外講師的職位，第二年成為副教授。1912年，愛因斯坦成為教授，1913年，應普朗克邀請，成為威廉皇帝新成立的物理研究所所長，柏林大學教授。與此同時，愛因斯坦正在考慮擴展公認的相對論。對他來說，有兩個問題讓他不安。首先是引力的問題。狹義相對論對於力學、熱力學和電動力學的物理規律是正確的，但它無法解釋萬有引力的問題。牛頓的引力理論是超距離的，兩個物體之間的引力相互作用是在瞬間傳遞的，即以無限的速度傳遞，這與相對論所依據的場的觀點和光速的極限相沖突。第二個問題是非慣性系，狹義相對論和之前的物理定律壹樣，只適用於慣性系。但實際上很難找到真正的慣性系。從邏輯上講，壹切自然規律都不應局限於慣性系，非慣性系也必須考慮。狹義相對論很難解釋所謂的孿生佯謬。矛盾的是有兩個孿生兄弟。我的兄弟正在宇宙飛船中以接近光速的速度旅行。根據相對論的效應，高速運動的時鐘變慢了。哥哥回來的時候，哥哥已經變得很老了，因為地球已經走過了幾十年。根據相對論原理，飛船相對於地球高速運動，地球也相對於飛船高速運動。弟弟看起來比哥哥年輕，哥哥應該看起來更年輕。這個問題根本無法回答。其實狹義相對論只處理勻速直線運動，我哥要經歷壹個變速運動的過程才能回來，相對論處理不了。當人們忙於理解相對的狹義相對論時，愛因斯坦正在接受廣義相對論的完成。1907年，愛因斯坦寫了壹篇關於狹義相對論的長文《論相對論原理及由此得出的結論》。在這篇文章中，愛因斯坦第壹次提到了等效原理，此後，愛因斯坦關於等效原理的思想不斷發展。基於慣性質量與引力質量成正比的自然定律，他提出無限小體積內的均勻引力場完全可以代替加速運動的參照系。愛因斯坦還提出了封閉盒子的觀點:無論用什麽方法，封閉盒子裏的觀察者都無法確定自己是仍處於引力場，還是處於沒有引力場但正在加速的空間。這是解釋等效原理最常用的觀點，慣性質量和引力質量相等是等效原理的自然推論。1915438+01年6月，愛因斯坦向普魯士科學院提交了四篇論文。在這四篇論文中，他提出了新的觀點，證明了水星近日點的歲差，給出了正確的引力場方程。至此，廣義相對論的基本問題已經解決，廣義相對論誕生了。1916年，愛因斯坦完成了他的長篇論文《廣義相對論基礎》。在這篇文章中，愛因斯坦首先把曾經適用於慣性系的相對論稱為狹義相對論，把只有慣性系的物理定律才與狹義相對論原理相同的原理稱為狹義相對論，並進壹步表述了廣義相對論原理:對於任何運動的參考系，物理定律都必須成立。愛因斯坦的廣義相對論認為，時空會因物質的存在而彎曲，引力場其實就是壹個彎曲的時空。愛因斯坦關於空間被太陽引力彎曲的理論很好地解釋了水星近日點歲差中無法解釋的43秒。廣義相對論的第二個預言是引力紅移，即光譜在強引力場中向紅端移動，這在20世紀20年代被天文學家證實。廣義相對論的第三個預言是引力場使光發生偏轉。離地球最近的引力場是太陽引力場。愛因斯坦預測，遙遠的星光如果經過太陽表面，會偏轉1.7秒。1919年，在英國天文學家愛丁頓的鼓勵下，英國派出兩支探險隊，在兩個地方觀測日全食。經過仔細研究，最後的結論是星光確實繞太陽偏轉了1.7秒。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、英國皇家學會會長唐慕孫說，“這是自牛頓時代以來引力理論最重大的成就”，“愛因斯坦的相對論是人類思想最偉大的成就之壹”。愛因斯坦成了新聞人物。1916年，他寫了壹本關於相對論的通俗讀物《狹義和廣義相對論簡介》。到1922，已重印40次，被翻譯成十幾種文字，廣為流傳。相對論的意義:狹義相對論和廣義相對論成立已經很久了。它經受了實踐和歷史的考驗，是公認的真理。相對論對現代物理學和現代人類思想的發展影響很大。相對論在邏輯上統壹了經典物理學，使經典物理學成為壹個完善的科學體系。狹義相對論在狹義相對論原理的基礎上，統壹了牛頓力學和麥克斯韋電動力學，指出兩者都服從狹義相對論原理，對洛倫茲變換是協變的，而牛頓力學只是物體低速運動的壹個很好的近似定律。廣義相對論在廣義協變的基礎上，通過等價原理建立了局域慣性長度與普適參考系數的關系，得到了所有物理定律的廣義協變形式，建立了廣義協變引力理論，而牛頓引力理論只是它的壹階近似。這從根本上解決了過去物理學局限於慣性系數的問題，在邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格考察了時間、空間、物質、運動等物理學的基本概念，給出了科學系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為壹個完善的科學體系。狹義相對論給出了物體高速運動的規律，並提出質量和能量是等價的，給出了質能關系。這兩項成果對低速運動的宏觀物體並不明顯，但在微觀粒子的研究中卻極其重要。因為微觀粒子的速度壹般都比較快，有的接近甚至達到光速，所以粒子的物理學離不開相對論。質能關系不僅為量子理論的建立和發展創造了必要條件，也為核物理的發展和應用提供了基礎。當時地球上的大多數物理學家，包括相對論變換關系的創始人洛倫茨，都很難接受愛因斯坦引入的這些新概念。甚至有人說“那時候世界上只有兩個半人懂相對論”。舊的思維方式的障礙使得這種新的物理理論直到壹代人以後才被物理學家所熟悉。甚至在1922年英國皇家科學瑞典學院授予愛因斯坦諾貝爾物理學獎時，也只是說，“因為他對理論物理的貢獻，更因為他發現了光電效應定律。”愛因斯坦的諾貝爾物理學獎被授予，卻沒有提及愛因斯坦的相對論。
E=mc^2
物質不滅定律是指物質的質量不滅；能量守恒定律是關於物質的能量守恒。(信息守恒定律)雖然這兩大定律相繼被人們發現，但人們認為它們是兩個不相關的定律，各自解釋了不同的自然規律。甚至有人認為物質不滅定律是化學定律，能量守恒定律是物理定律，屬於不同的科學範疇。愛因斯坦認為物質的質量是慣性的量度，能量是運動的量度；能量和質量不是相互孤立的，而是相互聯系、不可分割的。物體質量的變化會相應改變能量；而物體能量的變化也會相應地改變質量。愛因斯坦在狹義相對論中提出了著名的質能公式:e = MC ^ 2(其中e代表物體的能量，m代表物體的質量，c代表光速，即3× 10 8m/s)。愛因斯坦的理論最初遭到許多人的反對，甚至當時壹些著名的物理學家也對這個年輕人的論文表示懷疑。但是隨著科學的發展，大量的科學實驗證明愛因斯坦的理論是正確的，愛因斯坦成為了舉世聞名的科學家，是20世紀世界上最偉大的科學家。愛因斯坦的質能關系公式正確地解釋了各種核反應:以氦4為例，它的原子核由兩個質子和兩個中子組成。原則上氦4原子核的質量等於兩個質子和兩個中子的質量之和。事實上，這個算術不成立。氦核的質量比兩個質子和兩個中子的質量之和少0.0302原子質量單位[57]！這是為什麽呢？因為當兩個氘[dao]核(每個氘含有1個質子和1個中子)聚合成1個氦4核時，釋放出大量的原子能。當產生1g氦4原子時，大約釋放出2.7× 10 12焦耳的原子能。正因為如此，氦4原子核的質量減少。這個例子形象地說明了當兩個氘核聚合成1個氦4核時，似乎質量不守恒，即氦4核的質量不等於兩個氘核的質量之和。但是用質能關系的公式計算，氦4原子核損失的質量正好等於反應過程中釋放原子能減少的質量！這樣，愛因斯坦從壹個更新的高度闡述了物質不滅定律和能量守恒定律的實質，指出了兩個定律之間的密切關系，使人類對自然的認識更進壹步。
光電效應
當光照射到某些物質上時，這些物質的電特性會發生變化。這種光電變化現象統稱為光電效應。光電效應可分為光電子發射、光電導效應和光伏效應。前壹種現象發生在物體表面，也稱為外光電效應。後兩種現象發生在物體內部，稱為內部光電效應。赫茲在1887年發現了光電效應，愛因斯坦第壹個解釋成功。金屬表面在光照射作用下發出的電子的效應稱為光電子。只有當光的波長小於某個臨界值時，才能發射電子，也就是極限波長，對應的光的頻率稱為極限頻率。臨界值取決於金屬材料，發射電子的能量取決於光的波長，與光的強度無關，不能用光的漲落來解釋。和光的波動也有矛盾，就是光電效應的瞬時性。根據漲落理論，如果入射光較弱，照射時間較長，金屬中的電子可以積累足夠的能量，飛出金屬表面。但事實是，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，無論光的亮度強弱，光子的產生幾乎是瞬間的，不超過十減九秒。正確的解釋是，光必須由與波長相關的嚴格定義的能量單位(即光子或光量子)組成。在光電效應中，電子的發射方向不是完全定向的，而是大部分垂直於金屬表面發射，與照射方向無關。光是電磁波，但光是高頻振蕩的正交電磁場，振幅很小，不會影響電子的發射方向。1905年，愛因斯坦提出光子假說，成功解釋光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理學獎。
“上帝不擲骰子”
愛因斯坦曾是量子力學的推動者之壹，但他並不滿意其後來的發展。愛因斯坦壹直認為“量子力學(以玻恩為首的哥本哈根解釋:“基本上，量子系統的描述是概率性的。壹個事件的概率是波函數的絕對平方。”)不完全”，卻苦於沒有好的解釋模型，才會有著名的“上帝不擲骰子”的否定吶喊！其實愛因斯坦的直覺是對的，決定論的量子解釋才是“量子解釋”的真實和根本。愛因斯坦直到去世才接受量子力學是壹個完整的理論。愛因斯坦還有另壹句名言:“月亮是不是只在妳看著他的時候才存在？”
宇宙常數
愛因斯坦在提出相對論時，使用了宇宙常數(為了解釋物質密度非零的靜態宇宙的存在，他在引力場方程中引入了壹個與度規張量成正比的項，用符號∧表示。這個比例常數非常小，在銀河尺度下可以忽略不計。只有在宇宙尺度上∧才有意義，所以被稱為宇宙常數。所謂反重力的定值)帶入他的方程。他認為有壹種反重力，可以和重力平衡，讓宇宙變得有限靜止。當哈勃在望遠鏡中驕傲地展示給愛因斯坦看時，愛因斯坦羞愧萬分。他說:“這是我這輩子犯的最大的錯誤。”宇宙在膨脹！哈勃等人認為反引力不存在，由於星系間的引力，膨脹速度越來越慢。所以，愛因斯坦完全錯了？不會的，星系之間存在壹種扭曲力，使得宇宙不斷膨脹，也就是暗能量。70億年前，它們“征服”了暗物質，成為宇宙的主宰。最新研究表明，暗物質和暗能量在質量構成上約占宇宙的96%(只有實質量，沒有虛物質)。似乎宇宙會繼續加速膨脹，直到坍縮死亡。(目前還有其他說法，有爭議)。雖然宇宙常數是存在的，但是反重力的值遠遠超過引力。難怪固執的物理學家和玻爾在量子力學中爭論:“上帝不擲骰子！””(不要告訴上帝如何決定宇宙的命運)林德幽默地說:“現在，我終於明白為什麽他(愛因斯坦)這麽喜歡這個理論，多年後還在研究宇宙常數。宇宙常數仍然是當今物理學中最大的問題之壹。"