物理學(xué)之美—愛(ài)因斯坦

1、愛(ài)因斯坦科學(xué)巨匠科學(xué)巨匠 （AlbertEinstein，1879年年3月月14日日1955年年4月月18日）日） 猶太人，是猶太人，是20世紀(jì)著名世紀(jì)著名的理論物理學(xué)家、思想的理論物理學(xué)家、思想家及哲學(xué)家，也是相對(duì)家及哲學(xué)家，也是相對(duì)論的創(chuàng)立者，是現(xiàn)代物論的創(chuàng)立者，是現(xiàn)代物理學(xué)及二十世紀(jì)最重要理學(xué)及二十世紀(jì)最重要的科學(xué)家之一。的科學(xué)家之一。生平簡(jiǎn)介生平簡(jiǎn)介 1900年畢業(yè)于蘇黎世工業(yè)大學(xué)，并入瑞年畢業(yè)于蘇黎世工業(yè)大學(xué)，并入瑞士籍。士籍。 1905年獲蘇黎世大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。曾年獲蘇黎世大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。曾在伯爾尼專(zhuān)利局任職。蘇黎世工業(yè)大學(xué)在伯爾尼專(zhuān)利局任職。蘇黎世工業(yè)大學(xué)布拉格德意志大學(xué)及蘇

2、黎世工業(yè)大學(xué)教布拉格德意志大學(xué)及蘇黎世工業(yè)大學(xué)教授。授。 1913年返德國(guó)，任柏林威廉皇帝物理研年返德國(guó)，任柏林威廉皇帝物理研究所長(zhǎng)和柏林大學(xué)教授，并當(dāng)選為普魯究所長(zhǎng)和柏林大學(xué)教授，并當(dāng)選為普魯士科學(xué)院院士。士科學(xué)院院士。 1933年因受納粹政權(quán)迫害，遷居美國(guó)，年因受納粹政權(quán)迫害，遷居美國(guó)，任普林斯頓高級(jí)研究所教授，從事理論任普林斯頓高級(jí)研究所教授，從事理論物理研究，物理研究， 1940年入美國(guó)國(guó)籍。年入美國(guó)國(guó)籍。趣話愛(ài)因斯坦科學(xué)牛人之愛(ài)因斯坦0228音樂(lè)天賦愛(ài)因斯坦演奏莫扎特奏鳴曲（珍貴歷史錄音）063619211921年的愛(ài)因斯坦年的愛(ài)因斯坦“愛(ài)因斯坦奇跡年愛(ài)因斯坦奇跡年” 在在19051

3、905年愛(ài)因斯坦發(fā)表了年愛(ài)因斯坦發(fā)表了6 6篇?jiǎng)潟r(shí)代的篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，論文，這一年成為經(jīng)典物理學(xué)與現(xiàn)代物理學(xué)這一年成為經(jīng)典物理學(xué)與現(xiàn)代物理學(xué)分水嶺。分水嶺。1.1.關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)2.2.分子大小的新測(cè)定方法分子大小的新測(cè)定方法3.3.熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)粒子的運(yùn)動(dòng)4.4.論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)：首次提出了狹義：首次提出了狹義相對(duì)論基本原理，論文中提出了兩個(gè)基本公相對(duì)論基本原理，論文中提出了兩個(gè)基本公理：理：“光速不變光速不變”，以及，以及“相對(duì)性原理相對(duì)性原理”。5.5.物

4、體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？6.6.布朗運(yùn)動(dòng)的一些檢視布朗運(yùn)動(dòng)的一些檢視愛(ài)因斯坦的主要科學(xué)貢獻(xiàn)愛(ài)因斯坦的主要科學(xué)貢獻(xiàn)狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論光量子假說(shuō)光量子假說(shuō)相對(duì)性相對(duì)性光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)淼刃г淼刃г韽V義相對(duì)性廣義相對(duì)性近代物理學(xué)領(lǐng)域近代物理學(xué)領(lǐng)域的一次偉大革命的一次偉大革命促進(jìn)了人們對(duì)宇宙促進(jìn)了人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)及觀測(cè)研究的認(rèn)識(shí)及觀測(cè)研究和理論探討和理論探討解釋光電效應(yīng)，推解釋光電效應(yīng)，推動(dòng)量子力學(xué)的發(fā)展動(dòng)量子力學(xué)的發(fā)展光具有波粒二象性光具有波粒二象性獲得獲得一九二一年一九二一年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)相對(duì)論相對(duì)論狹義相對(duì)論狹義

5、相對(duì)論廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論光速在所有慣性參考系光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運(yùn)動(dòng)中不變，它是物體運(yùn)動(dòng)的最大速度。由于相對(duì)的最大速度。由于相對(duì)論效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)論效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度會(huì)變短，運(yùn)動(dòng)物體的度會(huì)變短，運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間膨脹。時(shí)間膨脹。 以幾何語(yǔ)言建立而成的以幾何語(yǔ)言建立而成的引力理論，統(tǒng)合了狹義引力理論，統(tǒng)合了狹義相對(duì)論和牛頓的萬(wàn)有引相對(duì)論和牛頓的萬(wàn)有引力定律，將引力改描述力定律，將引力改描述成因時(shí)空中的物質(zhì)與能成因時(shí)空中的物質(zhì)與能量而彎曲的時(shí)空，以取量而彎曲的時(shí)空，以取代傳統(tǒng)對(duì)于引力是一種代傳統(tǒng)對(duì)于引力是一種力的看法。力的看法。 (1905年年)(1915年年)佯謬問(wèn)題佯謬問(wèn)題時(shí)

6、鐘雙生子佯謬時(shí)鐘雙生子佯謬:相對(duì)論誕生后，曾經(jīng)有一個(gè)令相對(duì)論誕生后，曾經(jīng)有一個(gè)令人極感興趣的疑難問(wèn)題人極感興趣的疑難問(wèn)題雙生子佯謬。一對(duì)雙雙生子佯謬。一對(duì)雙生子甲和乙，乙在地球上，甲乘火箭去做星際旅生子甲和乙，乙在地球上，甲乘火箭去做星際旅行，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歲月返回地球。愛(ài)因斯坦由相對(duì)論行，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歲月返回地球。愛(ài)因斯坦由相對(duì)論斷言，二人經(jīng)歷的時(shí)間不同，重逢時(shí)甲將比乙年斷言，二人經(jīng)歷的時(shí)間不同，重逢時(shí)甲將比乙年輕。比如在這一對(duì)孿生兄弟輕。比如在這一對(duì)孿生兄弟20歲時(shí)，甲乘飛船作歲時(shí)，甲乘飛船作太空飛行，甲認(rèn)為飛行時(shí)間只有一年，在其返回太空飛行，甲認(rèn)為飛行時(shí)間只有一年，在其返回地面時(shí)，甲只有地面時(shí)，甲

7、只有21歲，但他卻發(fā)現(xiàn)乙卻已成了歲，但他卻發(fā)現(xiàn)乙卻已成了90多歲的老人了，亦即乙比甲年老了許多。多歲的老人了，亦即乙比甲年老了許多。 狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦的相對(duì)論認(rèn)為，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論認(rèn)為，光速在所有慣性參考系中光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運(yùn)動(dòng)的最不變，它是物體運(yùn)動(dòng)的最大速度。大速度。由于相對(duì)論效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)由于相對(duì)論效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度會(huì)變短，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度會(huì)變短，運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間膨脹。物體的時(shí)間膨脹。但由于日常生活中所遇但由于日常生活中所遇到的問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)速度都是到的問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)速度都是很低的（與光速相比），很低的（與光速相比），看不出相對(duì)論效應(yīng)?？床怀鱿鄬?duì)論效應(yīng)。 狹義相對(duì)論的證明

8、狹義相對(duì)論的證明1966年，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得年，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得子繞圓形子繞圓形軌道高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其平均壽命比在地面上靜軌道高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其平均壽命比在地面上靜止的止的子的平均壽命長(zhǎng)。子的平均壽命長(zhǎng)。1971年，科學(xué)家們年，科學(xué)家們又觀察到了放在衛(wèi)星上繞地球旋轉(zhuǎn)的原子鐘又觀察到了放在衛(wèi)星上繞地球旋轉(zhuǎn)的原子鐘比地面上的原子鐘走的慢得多的現(xiàn)象。這些比地面上的原子鐘走的慢得多的現(xiàn)象。這些實(shí)驗(yàn)證明了狹義相對(duì)論的正確性，同時(shí)也就實(shí)驗(yàn)證明了狹義相對(duì)論的正確性，同時(shí)也就間接解釋了間接解釋了“雙生子佯謬雙生子佯謬”這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題。狹義相對(duì)論的副產(chǎn)品狹義相對(duì)論的副產(chǎn)品狹義相對(duì)論最著名的推論是質(zhì)能公式：狹義相

9、對(duì)論最著名的推論是質(zhì)能公式：E=mc2它說(shuō)明了質(zhì)量隨能量的增加而增加。它也可以用它說(shuō)明了質(zhì)量隨能量的增加而增加。它也可以用來(lái)解釋核反應(yīng)所釋放的巨大能量，但它不是導(dǎo)致來(lái)解釋核反應(yīng)所釋放的巨大能量，但它不是導(dǎo)致原子彈的誕生的原因。原子彈的誕生的原因。狹義與廣義相對(duì)論的分別狹義與廣義相對(duì)論的分別 目前一般認(rèn)為，狹義與廣義相對(duì)論的區(qū)別在于目前一般認(rèn)為，狹義與廣義相對(duì)論的區(qū)別在于所討論的問(wèn)題是否涉及引力（彎曲時(shí)空），即狹所討論的問(wèn)題是否涉及引力（彎曲時(shí)空），即狹義相對(duì)論只涉及那些沒(méi)有引力作用或者引力作用義相對(duì)論只涉及那些沒(méi)有引力作用或者引力作用可以忽略的問(wèn)題，而廣義相對(duì)論則是討論有引力可以忽略的問(wèn)題，而

10、廣義相對(duì)論則是討論有引力作用時(shí)的物理學(xué)的。用相對(duì)論的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，就是作用時(shí)的物理學(xué)的。用相對(duì)論的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，就是狹義相對(duì)論的背景時(shí)空是平直的，而廣義相對(duì)論狹義相對(duì)論的背景時(shí)空是平直的，而廣義相對(duì)論的背景時(shí)空則是彎曲的。的背景時(shí)空則是彎曲的。 廣義相對(duì)論的提出廣義相對(duì)論的提出1915年年11月月25日，愛(ài)因斯坦把題為日，愛(ài)因斯坦把題為“萬(wàn)有萬(wàn)有引力方程引力方程”的論文提交給了柏林的普魯士科學(xué)的論文提交給了柏林的普魯士科學(xué)院，完整地論述了廣義相對(duì)論。在這篇文章中院，完整地論述了廣義相對(duì)論。在這篇文章中他不僅解釋了天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的水星軌道近日他不僅解釋了天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的水星軌道近日點(diǎn)移動(dòng)之謎，而且還預(yù)言

11、：星光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)會(huì)發(fā)點(diǎn)移動(dòng)之謎，而且還預(yù)言：星光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)會(huì)發(fā)生偏折，偏折角度相當(dāng)于牛頓理論所預(yù)言的數(shù)生偏折，偏折角度相當(dāng)于牛頓理論所預(yù)言的數(shù)值的兩倍。值的兩倍。由于牛頓定律由于牛頓定律給狹義相對(duì)論給狹義相對(duì)論提出了困難，提出了困難，即任何空間位即任何空間位置的任何物體置的任何物體都要受到力的都要受到力的作用。因此，作用。因此，在整個(gè)宇宙中在整個(gè)宇宙中不存在慣性觀不存在慣性觀測(cè)者。愛(ài)因斯測(cè)者。愛(ài)因斯坦為了解決這坦為了解決這一問(wèn)題又提出一問(wèn)題又提出了廣義相對(duì)論了廣義相對(duì)論 廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論廣廣義義相相對(duì)對(duì)論論黑洞黑洞四維彎曲時(shí)空四維彎曲時(shí)空有限無(wú)邊宇宙有限無(wú)邊宇宙引力波引力波引力透鏡引力透鏡大爆

12、炸宇宙學(xué)說(shuō)大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)為了證明廣義相對(duì)論的正確，愛(ài)因斯坦為了證明廣義相對(duì)論的正確，愛(ài)因斯坦求助于天文學(xué)觀測(cè)，提出了三個(gè)可以用天文求助于天文學(xué)觀測(cè)，提出了三個(gè)可以用天文學(xué)觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證的廣義相對(duì)論效應(yīng)。學(xué)觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證的廣義相對(duì)論效應(yīng)。第一、愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論解決了長(zhǎng)期懸第一、愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論解決了長(zhǎng)期懸而未解的水星近日點(diǎn)附加進(jìn)動(dòng)問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果而未解的水星近日點(diǎn)附加進(jìn)動(dòng)問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)符合得很好；與觀測(cè)符合得很好；第二、預(yù)言了光線在太陽(yáng)引力場(chǎng)中會(huì)第二、預(yù)言了光線在太陽(yáng)引力場(chǎng)中會(huì)彎曲；彎曲；第三、預(yù)言恒星發(fā)出的光譜譜線由于強(qiáng)大引第三、預(yù)言恒星發(fā)出的光譜譜線由于強(qiáng)大引力的作用會(huì)使其波長(zhǎng)變長(zhǎng)，也就

13、是發(fā)生引力紅力的作用會(huì)使其波長(zhǎng)變長(zhǎng)，也就是發(fā)生引力紅移。移。廣義相對(duì)論的證明廣義相對(duì)論的證明1919年年5月英國(guó)天文學(xué)家物理月英國(guó)天文學(xué)家物理學(xué)家愛(ài)丁頓和戴森分別奔赴非洲學(xué)家愛(ài)丁頓和戴森分別奔赴非洲西海岸的普林西比島和巴西的索西海岸的普林西比島和巴西的索貝瑞爾并在貝瑞爾并在29日進(jìn)行了日全食觀日進(jìn)行了日全食觀測(cè)。測(cè)。11月月6日，戴森在英國(guó)皇家日，戴森在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)聯(lián)席會(huì)議上學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)聯(lián)席會(huì)議上鄭重宣布：得到證實(shí)的是愛(ài)因斯鄭重宣布：得到證實(shí)的是愛(ài)因斯坦而不是牛頓所預(yù)言的結(jié)果他稱(chēng)坦而不是牛頓所預(yù)言的結(jié)果他稱(chēng)贊道贊道“這是人類(lèi)思想史上最偉大這是人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一。愛(ài)

14、因斯坦發(fā)現(xiàn)的不的成就之一。愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)的不是一個(gè)小島，而是整整一個(gè)科學(xué)是一個(gè)小島，而是整整一個(gè)科學(xué)思想的新大陸。思想的新大陸?！毕鞅槿鞅槿澜纾瑦?ài)因斯坦成了舉世矚目的世界，愛(ài)因斯坦成了舉世矚目的名人。廣義相對(duì)論也被提高到神名人。廣義相對(duì)論也被提高到神話般受人敬仰的寶座。話般受人敬仰的寶座。廣義相對(duì)論的證明廣義相對(duì)論的證明由于地球公轉(zhuǎn)引起太陽(yáng)在由于地球公轉(zhuǎn)引起太陽(yáng)在天球上的視位置有一個(gè)周年天球上的視位置有一個(gè)周年運(yùn)動(dòng)，即每天的同一時(shí)刻太運(yùn)動(dòng)，即每天的同一時(shí)刻太陽(yáng)在星空背景上的視位置都陽(yáng)在星空背景上的視位置都不同，要移動(dòng)差不多一度，不同，要移動(dòng)差不多一度，全年正好移動(dòng)一周。所以，全年正好

15、移動(dòng)一周。所以，白天出現(xiàn)在太陽(yáng)背后的星空，白天出現(xiàn)在太陽(yáng)背后的星空，幾個(gè)月前或幾個(gè)月后，將在幾個(gè)月前或幾個(gè)月后，將在夜間出現(xiàn)。因此在幾個(gè)月后夜間出現(xiàn)。因此在幾個(gè)月后可以拍下日食時(shí)觀測(cè)的天區(qū)?？梢耘南氯帐硶r(shí)觀測(cè)的天區(qū)。對(duì)比日食時(shí)拍下的太陽(yáng)背后對(duì)比日食時(shí)拍下的太陽(yáng)背后的星空和太陽(yáng)不存在時(shí)的同的星空和太陽(yáng)不存在時(shí)的同一星空照片，就可以測(cè)量出一星空照片，就可以測(cè)量出恒星位置的偏離。恒星位置的偏離。對(duì)愛(ài)因斯坦引入的這些全新的概念，大部分物理學(xué)對(duì)愛(ài)因斯坦引入的這些全新的概念，大部分物理學(xué)家，其中包括相對(duì)論變換關(guān)系的奠基人洛侖茲，都覺(jué)家，其中包括相對(duì)論變換關(guān)系的奠基人洛侖茲，都覺(jué)得難以接受。舊的思想方法的障

16、礙，使這一新的物理得難以接受。舊的思想方法的障礙，使這一新的物理理論直到一代人之后才為廣大物理學(xué)家所熟悉，就連理論直到一代人之后才為廣大物理學(xué)家所熟悉，就連瑞典皇家科學(xué)院，瑞典皇家科學(xué)院，1922年把諾貝爾獎(jiǎng)金授予愛(ài)因斯坦年把諾貝爾獎(jiǎng)金授予愛(ài)因斯坦時(shí)，也只是說(shuō)時(shí)，也只是說(shuō)“由于他對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)，更由于由于他對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)，更由于他發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的定律。他發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的定律?！睂?duì)于相對(duì)論只字未提。對(duì)于相對(duì)論只字未提。智商智商160“你和一個(gè)漂亮姑娘在公你和一個(gè)漂亮姑娘在公園長(zhǎng)椅上坐一小時(shí)，覺(jué)得園長(zhǎng)椅上坐一小時(shí)，覺(jué)得只過(guò)了一分鐘；你緊挨著只過(guò)了一分鐘；你緊挨著一個(gè)火爐坐一分鐘，卻覺(jué)一個(gè)火

17、爐坐一分鐘，卻覺(jué)得過(guò)了一小時(shí)。這就是相得過(guò)了一小時(shí)。這就是相對(duì)論。對(duì)論?！眰€(gè)人名言個(gè)人名言 A=X+Y+Z! AA=X+Y+Z! A就是成功，就是成功，X X就是努力工作，就是努力工作，Y Y是懂得休息，是懂得休息，Z Z是少說(shuō)廢話是少說(shuō)廢話! ! 科學(xué)研究好像鉆木板，有人喜歡鉆薄的，而我喜歡鉆厚的?？茖W(xué)研究好像鉆木板，有人喜歡鉆薄的，而我喜歡鉆厚的。 上帝是狡猾的，但他并無(wú)惡意。上帝是狡猾的，但他并無(wú)惡意。 在真理和認(rèn)識(shí)方面，任何以權(quán)威者自居的人，必將在上帝在真理和認(rèn)識(shí)方面，任何以權(quán)威者自居的人，必將在上帝的戲笑中垮臺(tái)！的戲笑中垮臺(tái)！ 凡在小事上對(duì)真理持輕率態(tài)度的人，在大事上也是不足信凡在小事上對(duì)真理持輕率態(tài)