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《爱因斯坦》玛脑画片

时间:2011-12-22 15:36:33 来源:休闲驿站 作者:顽石 编辑: 访问次数: 关闭


玛瑙画片《爱因斯坦》直径D48mm,在一圈圈光环的中央,呈现出爱因斯坦的头像。宽阔的前额,深邃的眼睛,平直的下巴,光线笼罩的口鼻依然能辨轮廓,蓬松的头发和胡须凸显其生活的随意。总之,无论谁看到这幅头像,首先闪现在脑海里的就是爱因斯坦。

饶有兴味的是,整个画片像个剥开的葱头,最外层象征着狭义相对论,里面那层象征广义相对论,爱因斯坦正身居葱头的里层,象征着毕生为之奋斗的目标-揭示统一场的奥秘。遗憾的是,还未来得及揭开。眼前的画面,自然地把我们的思想牵向这位传奇而伟岸的科学骄子。


 

 

爱因斯坦(Albert Einstein),伟大的物理学家。

1879年3月14日诞生在德国北部的乌尔姆城班霍夫街135号。父母都是犹太人。1900年8月爱因斯坦毕业于苏黎世联邦工业大学,次年入瑞士国籍。

1913年他返回德国,任柏林威廉皇帝物理研究所长和柏林大学教授,并当选为普鲁士科学院院士。

1922年11月9日,爱因斯坦因对光电效应作出解释而被授予1921年“诺贝尔物理学奖”。这仅仅是他创建闻名于世的相对论过程中的一个亮点。

1933年希特勒上台后,德国日益法西斯化,爱因斯坦被德国纳粹分子列为重要的迫害对象,幸而他在1932年底离开德国到美国讲学,才未遭毒手。随后定居美国。

爱因斯坦在物理学上的成就使他在英国路透社评选千年风云人物的活动中,名列第一;1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

爱因斯坦一生最大的成就,也是对人类最大的贡献即创立了相对论学说。相对论是恢弘的宇宙观体系,由狭义相对论、广义相对论和统一场论三部分组成。

狭义相对论

狭义相对论的创立

1905年6月30日,爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的德国《物理学年鉴》期刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。

在这篇文章中,爱因斯坦从同时性的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,长期困扰物理界的“以太”假设是不成立的。

相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变(大胆的科学假设),它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。

狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。

同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是无意义的。光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速非无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。

宇宙常数

爱因斯坦在提出相对论的时候,为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在曾提出宇宙常数,宇宙常数依然是当今物理学最大的未解之谜。

质能关系式

在狭义相对论中,爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc^2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。

爱因斯坦因此一跃而成为世界著名的科学家,成为20世纪世界最伟大的科学家。

爱因斯坦的质能关系公式,正确地解释了各种原子核反应。例如,在2个氘原子核聚合成1个氦4原子核时,似乎质量并不守恒,也就是氦4原子核的质量并不等于2个氘核质量之和。然而,用质能关系公式计算,氦4原子核失去的质量,恰巧等于因反应时释放出原子能而减少的质量!

这样一来,爱因斯坦就从更新的高度,阐明了物质不灭定律和能量守恒定律的实质,指出了两条定律之间的密切关系,使人类对大自然的认识又深了一步。

物质不灭定律和能量守恒定律,是自然界的伟大定律,已经成为现代自然科学的基石。物质是不能凭空创造的,也不能凭空消灭,所谓“上帝创造万物”成了反科学的谬论;世界上永远不会有“永动机”。想不花费劳动就从大自然中获取能源,是不可能的。

 

 

 

 

广义相对论

1915年11月,爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文,在这四篇论文中,他提出了新的看法,证明了水星近日点的进动,并给出了正确的引力场方程。至此,广义相对论的基本问题都解决了,广义相对论诞生了。

1916年,爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》,在这篇文章中,爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论,将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理,并进一步表述了广义相对性原理:物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。

爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。弯曲的时空引力场为黑洞、大爆炸等新的宇宙论提供了理论依据。

广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动,20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点。

广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转。最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。

1919年,英国皇家学会和皇家天文学会借助对两地日全食的观察研究得出结论是:星光掠过太阳的确发生了一点七秒的偏转,证明广义相对论的结论是正确的。著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说:“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”,“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。

爱因斯坦在1916年写了一本通俗介绍相对论的书《狭义与广义相对论浅说》,到1922年已经再版了40次,还被译成了十几种文字,广为流传。

1937年,他从广义相对论的引力场方程推导出运动方程,进一步揭示了空间——时间、物质、运动之间的统一性,这是广义相对论的重大发展,也是爱因斯坦在科学创造活动中所取得的最后一个重大成果。

统一场论

1922年1月,完成关于统一场论的第一篇论文。

漫长艰难的探索广义相对论建成后,爱因斯坦依然感到不满足,要把广义相对论再加以推广,使它不仅包括引力场,也包括电磁场。他认为这是相对论发展的第三个阶段,即统一场论。

在统一场理论方面,他始终没有成功,他从不气馁,每次都满怀信心的从头开始。直到临终前一天,他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算。

相对论的意义

相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。 相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系。

狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下的近似规律。

广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。

狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。

广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体。到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究。

一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦:“在我们这一时代的物理学家中,爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”,“按照我的看法,他也许比牛顿更伟大,因为他对于科学的贡献,更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中。”

1955 年4月18日,科学巨人爱因斯坦病逝。

    顽石 20090902 编写于龙涎涧



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