物理學(xué)史--相對論的建立

1、相對論的建立相對論的建立1歷史背景歷史背景2狹義相對論的建立狹義相對論的建立3廣義相對論的建立廣義相對論的建立 相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石。它的建立是相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石。它的建立是2020世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對物理學(xué)、天世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對物理學(xué)、天文學(xué)乃至哲學(xué)思想都有深遠影響。文學(xué)乃至哲學(xué)思想都有深遠影響。 相對論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，相對論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各有是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各有關(guān)分支又一次綜合的結(jié)果。關(guān)分支又一次綜合的結(jié)果。一一. . 歷史背景歷史背景1.1

2、 “1.1 “以太漂移以太漂移”的探索的探索 以太觀念的提出可以追溯到古希臘時代，亞里士多德認(rèn)為以太觀念的提出可以追溯到古希臘時代，亞里士多德認(rèn)為天體間一定充滿著某種媒質(zhì)。笛卡兒天體間一定充滿著某種媒質(zhì)。笛卡兒16441644年發(fā)表的年發(fā)表的哲學(xué)原理哲學(xué)原理中就引用了以太的觀念。他認(rèn)為中就引用了以太的觀念。他認(rèn)為“虛空虛空”是不存在的，整個宇是不存在的，整個宇宙充滿著一種特殊的易動物質(zhì)宙充滿著一種特殊的易動物質(zhì)以太。以太。 在光的微粒說占上風(fēng)的年代，以太理論曾受到壓制。在光的微粒說占上風(fēng)的年代，以太理論曾受到壓制。18001800年以后，由于波動說成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，年以后，由

3、于波動說成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，以太學(xué)說重新抬頭。波動說的支持者把以太看成無所不在、絕以太學(xué)說重新抬頭。波動說的支持者把以太看成無所不在、絕對靜止、極其稀薄的剛性對靜止、極其稀薄的剛性“物質(zhì)物質(zhì)”。 但是，直到但是，直到1919世紀(jì)還沒有一個實驗?zāi)苤苯幼C明以太的存在。世紀(jì)還沒有一個實驗?zāi)苤苯幼C明以太的存在。以太漂移實驗給出了否定結(jié)果。這些結(jié)果促使人們對以太和絕以太漂移實驗給出了否定結(jié)果。這些結(jié)果促使人們對以太和絕對坐標(biāo)系的存在產(chǎn)生懷疑。對坐標(biāo)系的存在產(chǎn)生懷疑。 著名的以太漂移實驗著名的以太漂移實驗1.2 收縮假說的提出收縮假說的提出 邁克耳遜邁克耳遜- -默雷實驗的零結(jié)果發(fā)表后，愛

4、爾蘭物理學(xué)家費默雷實驗的零結(jié)果發(fā)表后，愛爾蘭物理學(xué)家費茲杰惹立即進行了思考。茲杰惹立即進行了思考。18891889年，他向英國年，他向英國科學(xué)科學(xué)雜志投雜志投稿，寫到：稿，寫到：“唯一可能協(xié)調(diào)這中對立的假說就是要假設(shè)物體唯一可能協(xié)調(diào)這中對立的假說就是要假設(shè)物體的長度回發(fā)生變化，其改變量跟穿過以太的速度與光速之比的長度回發(fā)生變化，其改變量跟穿過以太的速度與光速之比的平方成正比。的平方成正比。” 然而，由于然而，由于科學(xué)科學(xué)雜志不久就停刊了，這篇稿件雖然發(fā)雜志不久就?？?，這篇稿件雖然發(fā)表但卻鮮為人知，連費茲杰惹本人也不知道這篇稿件是否問表但卻鮮為人知，連費茲杰惹本人也不知道這篇稿件是否問世。兩年

5、后，費茲杰惹去世，只是由于他的學(xué)生特勞頓多次世。兩年后，費茲杰惹去世，只是由于他的學(xué)生特勞頓多次提到他的工作，人們才知道他比洛倫茲更早就提出了收縮假提到他的工作，人們才知道他比洛倫茲更早就提出了收縮假說。說。 1892 1892年，荷蘭物理學(xué)家洛倫茲在年，荷蘭物理學(xué)家洛倫茲在論地球?qū)σ蕴南鄬\論地球?qū)σ蕴南鄬\動動中獨立地提出了收縮假說，并給出了嚴(yán)格的定量關(guān)系。中獨立地提出了收縮假說，并給出了嚴(yán)格的定量關(guān)系。 洛侖茲在洛侖茲在18921892年一方面提出了長度收縮假說，用以解釋以年一方面提出了長度收縮假說，用以解釋以太漂移的零結(jié)果；另一方面發(fā)展了動體的電動力學(xué)。他假設(shè)太漂移的零結(jié)果；另一方

6、面發(fā)展了動體的電動力學(xué)。他假設(shè)以太是絕對靜止的，從他的電磁理論推出了菲涅耳曳引系數(shù)。以太是絕對靜止的，從他的電磁理論推出了菲涅耳曳引系數(shù)。隨后，又在隨后，又在18951895年與年與19041904年先后建立一階與二階變換理論，年先后建立一階與二階變換理論，他力圖使電磁場方程適用于不同的慣性坐標(biāo)系。然而盡管他他力圖使電磁場方程適用于不同的慣性坐標(biāo)系。然而盡管他的理論能夠解釋一些理象，（例如能解釋為什么探測不到地的理論能夠解釋一些理象，（例如能解釋為什么探測不到地球相對于以太的運動），但卻是在保留以太的前提下，采取球相對于以太的運動），但卻是在保留以太的前提下，采取修補的辦法，人為地引入了大量假

7、設(shè)，致使概念繁瑣，理論修補的辦法，人為地引入了大量假設(shè)，致使概念繁瑣，理論龐雜，缺乏邏輯的完備性和體系的嚴(yán)密性。龐雜，缺乏邏輯的完備性和體系的嚴(yán)密性。 洛倫茲，洛倫茲，H HA A(Hendrik Antoon(Hendrik Antoon Lorentz,1853 Lorentz,18531928)1928)，荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，18531853年年7 7月月1818日生于日生于阿納姆。阿納姆。18701870年洛倫茲考入萊頓大學(xué)，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物年洛倫茲考入萊頓大學(xué)，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理和天文。理和天文。18751875年獲博士學(xué)位。年獲博士學(xué)位。18771877年，萊頓大學(xué)

8、聘年，萊頓大學(xué)聘請他為理論物理學(xué)教授。請他為理論物理學(xué)教授。19121912年洛倫茲辭去萊頓大學(xué)年洛倫茲辭去萊頓大學(xué)教授職務(wù)，到哈勒姆擔(dān)任一個博物館的顧問，同時兼教授職務(wù)，到哈勒姆擔(dān)任一個博物館的顧問，同時兼任萊頓大學(xué)的名譽教授。后來他還在荷蘭政府中任職，任萊頓大學(xué)的名譽教授。后來他還在荷蘭政府中任職，1919191919261926年在教育部門工作，其間年在教育部門工作，其間19211921年起擔(dān)任高年起擔(dān)任高等教育部部長。等教育部部長。1911191119271927年擔(dān)任索爾維物理學(xué)會議年擔(dān)任索爾維物理學(xué)會議的固定主席。在國際物理學(xué)界的各種集會上，他經(jīng)常的固定主席。在國際物理學(xué)界的各種集

9、會上，他經(jīng)常是一位很受歡迎的主持人。是一位很受歡迎的主持人。19231923年國際科學(xué)協(xié)作聯(lián)盟年國際科學(xué)協(xié)作聯(lián)盟委員會主席。他還是世界上許多科學(xué)院的外國院士和委員會主席。他還是世界上許多科學(xué)院的外國院士和科學(xué)學(xué)會的外國會員。洛倫茲因研究磁場對輻射現(xiàn)象科學(xué)學(xué)會的外國會員。洛倫茲因研究磁場對輻射現(xiàn)象的影響，與塞曼共獲的影響，與塞曼共獲19021902年諾貝爾物理學(xué)獎金。年諾貝爾物理學(xué)獎金。 洛倫茲于洛倫茲于19281928年年2 2月月4 4日在荷蘭的哈勃姆去世，終年日在荷蘭的哈勃姆去世，終年7575歲。歲。為了悼念這位荷蘭近代文化的巨人，舉行葬禮的那天，荷蘭全為了悼念這位荷蘭近代文化的巨人，舉行

10、葬禮的那天，荷蘭全國的電信、電話中止三分鐘。國的電信、電話中止三分鐘。 法國著名科學(xué)家彭加勒（法國著名科學(xué)家彭加勒（HenriPoincarHenriPoincar）對洛侖茲理論起）對洛侖茲理論起過積極作用。他在過積極作用。他在18951895年就對用長度收縮假說解釋以太漂移的年就對用長度收縮假說解釋以太漂移的零結(jié)果表示不同看法。他提出了相對性原理的概念，認(rèn)為物理零結(jié)果表示不同看法。他提出了相對性原理的概念，認(rèn)為物理學(xué)的基本規(guī)律應(yīng)該不隨坐標(biāo)系變化。他的批評促使洛侖茲提出學(xué)的基本規(guī)律應(yīng)該不隨坐標(biāo)系變化。他的批評促使洛侖茲提出時空變換的方程式。時空變換的方程式。19041904年彭加勒正式表述了相

11、對性原理。彭年彭加勒正式表述了相對性原理。彭加勒還對洛侖茲理論進行加工整理，使它的數(shù)學(xué)形式更加簡潔。加勒還對洛侖茲理論進行加工整理，使它的數(shù)學(xué)形式更加簡潔。然而彭加勒也沒有跳出絕對時空觀的框架。他們已經(jīng)走到了狹然而彭加勒也沒有跳出絕對時空觀的框架。他們已經(jīng)走到了狹義相對論的邊緣，卻沒有能夠創(chuàng)立狹義相對論。義相對論的邊緣，卻沒有能夠創(chuàng)立狹義相對論。 彭加勒（彭加勒（Jules Henri PoincarJules Henri Poincar, ,）法國）法國數(shù)學(xué)家。數(shù)學(xué)家。18541854年年4 4月月2929日生于南希；日生于南希；19121912年年7 7月月1717日卒于巴黎。日卒于巴黎。

12、 有些人把彭加肋稱為最后一個廣博的數(shù)學(xué)有些人把彭加肋稱為最后一個廣博的數(shù)學(xué)家，因為他在數(shù)學(xué)上的大多數(shù)分支學(xué)科以及家，因為他在數(shù)學(xué)上的大多數(shù)分支學(xué)科以及天文學(xué)上都作出第一流的創(chuàng)造性工作（而且天文學(xué)上都作出第一流的創(chuàng)造性工作（而且撰寫得非常好以至可以看成散文家），撰寫得非常好以至可以看成散文家），18791879年，彭加勒獲得博士學(xué)位，其后，他在巴黎年，彭加勒獲得博士學(xué)位，其后，他在巴黎大學(xué)教書。他在天體力學(xué)方面的工作及對三大學(xué)教書。他在天體力學(xué)方面的工作及對三體問題的貢獻使得他在體問題的貢獻使得他在18891889年榮獲瑞典國王年榮獲瑞典國王奧斯卡二世的獎金。他是最早看出年輕的愛奧斯卡二世的獎金

13、。他是最早看出年輕的愛因斯坦的相對論的意義的人之一。因斯坦的相對論的意義的人之一。二二. . 狹義相對論的建立狹義相對論的建立 愛因斯坦（公元愛因斯坦（公元1879187919551955年）年）出生于德國，有猶太血統(tǒng)，是出生于德國，有猶太血統(tǒng)，是2020世紀(jì)世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家。愛因斯坦從小就最偉大的物理學(xué)家。愛因斯坦從小就是一個奇怪的孩子。他酷愛音樂，是一個奇怪的孩子。他酷愛音樂，6 6歲時學(xué)習(xí)小提琴，歲時學(xué)習(xí)小提琴，1414歲時已能登臺演歲時已能登臺演出。但上學(xué)時，教師說他智力遲鈍，出。但上學(xué)時，教師說他智力遲鈍，除數(shù)學(xué)外，歷史、地理和語言成績都除數(shù)學(xué)外，歷史、地理和語言成績都很差，以致

14、遭退學(xué)處分。他的教育主很差，以致遭退學(xué)處分。他的教育主要靠家庭和自學(xué)。要靠家庭和自學(xué)。 2.1 2.1 愛因斯坦生平愛因斯坦生平 1900 1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世工業(yè)大學(xué)，年畢業(yè)于瑞士蘇黎世工業(yè)大學(xué)，19011901年入瑞士國籍，年入瑞士國籍，大學(xué)畢業(yè)兩年后才在伯爾尼瑞士專利局找到技術(shù)員的工作。就大學(xué)畢業(yè)兩年后才在伯爾尼瑞士專利局找到技術(shù)員的工作。就在專利局工作期間，在專利局工作期間，19051905年頭幾個月一連發(fā)表了四篇重要論文，年頭幾個月一連發(fā)表了四篇重要論文，分別在輻射理論、分子運動論和力學(xué)與電動力學(xué)的基礎(chǔ)理論等分別在輻射理論、分子運動論和力學(xué)與電動力學(xué)的基礎(chǔ)理論等三個不同的領(lǐng)域提

15、出了新的見解。其中三個不同的領(lǐng)域提出了新的見解。其中論動體的電動力學(xué)論動體的電動力學(xué)一文更具有劃時代的意義，文中第一次提出了嶄新的時間空間一文更具有劃時代的意義，文中第一次提出了嶄新的時間空間理論，一舉解決了光速的不變性與速度合成法則之間的矛盾以理論，一舉解決了光速的不變性與速度合成法則之間的矛盾以及電磁理論中的不對稱等難題。愛因斯坦把這個理論稱為相對及電磁理論中的不對稱等難題。愛因斯坦把這個理論稱為相對性理論，簡稱相對論，后來又叫狹義相對論。性理論，簡稱相對論，后來又叫狹義相對論。 1921 1921年，愛因斯坦因?qū)怆娦?yīng)的研究而獲得諾貝爾物理獎。年，愛因斯坦因?qū)怆娦?yīng)的研究而獲得諾貝爾

16、物理獎。19331933年，希特勒上臺，愛因斯坦因受法西斯迫害而被迫移居美年，希特勒上臺，愛因斯坦因受法西斯迫害而被迫移居美國。國。19551955年年4 4月月1818日，愛因斯坦病逝于普林斯頓醫(yī)院。日，愛因斯坦病逝于普林斯頓醫(yī)院。 早在早在1616歲（歲（18951895年）時，愛因斯坦就開始思考這樣一個問題：年）時，愛因斯坦就開始思考這樣一個問題：“如果我以速度如果我以速度c c（真空中的光速）追隨光線運動，我應(yīng)當(dāng)看到這樣（真空中的光速）追隨光線運動，我應(yīng)當(dāng)看到這樣一條光線就好象一個在空中振蕩著而停滯不前的電磁場?？墒菬o論是一條光線就好象一個在空中振蕩著而停滯不前的電磁場。可是無論是依據(jù)

17、經(jīng)驗，還是按照麥克斯韋方程，看來都不會有這樣的事情。依據(jù)經(jīng)驗，還是按照麥克斯韋方程，看來都不會有這樣的事情?！边@這是一個悖論，實際上包含了狹義相對論的萌芽。是一個悖論，實際上包含了狹義相對論的萌芽。 不久愛因斯坦得知邁克耳孫不久愛因斯坦得知邁克耳孫- -莫雷實驗的零結(jié)果。他由此認(rèn)識到，莫雷實驗的零結(jié)果。他由此認(rèn)識到，地球相對于以太的運動是不能用任何儀器測量的。他曾回憶說：地球相對于以太的運動是不能用任何儀器測量的。他曾回憶說：“這這是引導(dǎo)我走向狹義相對論的第一步。是引導(dǎo)我走向狹義相對論的第一步。” 后來，愛因斯坦讀到了洛侖茲后來，愛因斯坦讀到了洛侖茲18951895年的論文，對洛侖茲方程發(fā)生年

18、的論文，對洛侖茲方程發(fā)生了興趣。他試圖用洛侖茲方程討論斐索的流水中光速實驗。當(dāng)時他堅了興趣。他試圖用洛侖茲方程討論斐索的流水中光速實驗。當(dāng)時他堅信麥克斯韋和洛侖茲電動力學(xué)方程是正確的，但是進一步推算，發(fā)現(xiàn)信麥克斯韋和洛侖茲電動力學(xué)方程是正確的，但是進一步推算，發(fā)現(xiàn)要保持這些方程對動體參照系同樣有效，必然導(dǎo)致光速不變性的概念，要保持這些方程對動體參照系同樣有效，必然導(dǎo)致光速不變性的概念，而光速的不變性明顯地與力學(xué)的速度合成法則相抵觸。而光速的不變性明顯地與力學(xué)的速度合成法則相抵觸。2.2 2.2 愛因斯坦建立狹義相對論的過程愛因斯坦建立狹義相對論的過程 經(jīng)過十年的思考，終于在經(jīng)過十年的思考，終于

19、在19051905年的一天，他突然找到了解年的一天，他突然找到了解決問題的關(guān)鍵。決問題的關(guān)鍵。 “ “是我在伯爾尼的朋友貝索偶然間幫我擺脫是我在伯爾尼的朋友貝索偶然間幫我擺脫了困境。那是一個睛朗的日子，我?guī)е@個問題訪問了他，我了困境。那是一個睛朗的日子，我?guī)е@個問題訪問了他，我們討論了這個問題的每一個細節(jié)。忽然我領(lǐng)悟到這個問題的癥們討論了這個問題的每一個細節(jié)。忽然我領(lǐng)悟到這個問題的癥結(jié)所在。這個問題的答案來自對時間概念的分析，不可能絕對結(jié)所在。這個問題的答案來自對時間概念的分析，不可能絕對地確定時間，在時間和信號速度之間有著不可分割的聯(lián)系。利地確定時間，在時間和信號速度之間有著不可分割的聯(lián)

20、系。利用這一新概念，我第一次徹底地解決了這個難題。用這一新概念，我第一次徹底地解決了這個難題。” 不出五個星期，（不出五個星期，（19051905年年6 6月），愛因斯坦就寫好了那篇歷月），愛因斯坦就寫好了那篇歷史性文獻史性文獻論動體的電動力學(xué)論動體的電動力學(xué)，19051905年年9 9月發(fā)表在著名的德文月發(fā)表在著名的德文雜志雜志物理學(xué)年鑒物理學(xué)年鑒上。在這篇論文中，愛因斯坦十分果斷地上。在這篇論文中，愛因斯坦十分果斷地把相對性原理和光速不變原理這兩條看起來似乎矛盾的設(shè)想放把相對性原理和光速不變原理這兩條看起來似乎矛盾的設(shè)想放在一起作為基本出發(fā)點。在一起作為基本出發(fā)點。 愛因斯坦明確指出：在他

21、的理論里，以太的概念將是多余愛因斯坦明確指出：在他的理論里，以太的概念將是多余的，因為這里不需要特設(shè)的絕對靜止參照系。愛因斯坦不是的，因為這里不需要特設(shè)的絕對靜止參照系。愛因斯坦不是象洛侖茲那樣，事先假設(shè)某種時空變換關(guān)系，而是以這兩個象洛侖茲那樣，事先假設(shè)某種時空變換關(guān)系，而是以這兩個公設(shè)為出發(fā)點，推導(dǎo)出時空變換關(guān)系。他非常簡潔地建立了公設(shè)為出發(fā)點，推導(dǎo)出時空變換關(guān)系。他非常簡潔地建立了一系列新的時空變換公式之后，立即推導(dǎo)出了運動物體的一系列新的時空變換公式之后，立即推導(dǎo)出了運動物體的“長度收縮長度收縮”、運動時間的、運動時間的“時鐘變慢時鐘變慢”、同時性的相對性、同時性的相對性以及新的速度合

22、成法則等等，由此形成一套嶄新的時空觀。以及新的速度合成法則等等，由此形成一套嶄新的時空觀。 由于人們的思想長期受到傳統(tǒng)觀念的束縛，一時難于接受由于人們的思想長期受到傳統(tǒng)觀念的束縛，一時難于接受嶄新的時空觀，愛因斯坦的論文發(fā)表后，在相當(dāng)長的一段時間嶄新的時空觀，愛因斯坦的論文發(fā)表后，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)受到冷遇，被人們懷疑甚至遭到反對。內(nèi)受到冷遇，被人們懷疑甚至遭到反對。 在法國，直到在法國，直到19101910年幾乎沒有人提到愛因斯坦的相對論。年幾乎沒有人提到愛因斯坦的相對論。在實用主義盛行的美國，最初十幾年中也沒有得到認(rèn)真對待。在實用主義盛行的美國，最初十幾年中也沒有得到認(rèn)真對待。邁克耳孫至

23、死（邁克耳孫至死（19311931年）還念念不忘年）還念念不忘“可愛的以太可愛的以太”，認(rèn)為相，認(rèn)為相對論是一個怪物。英國也不例外，在人們的頭腦里以太的觀念對論是一個怪物。英國也不例外，在人們的頭腦里以太的觀念太深了，相對論徹底否定以太的必要性，被人們看成是不可思太深了，相對論徹底否定以太的必要性，被人們看成是不可思議的事。當(dāng)時甚至掀起了一場議的事。當(dāng)時甚至掀起了一場“保衛(wèi)以太保衛(wèi)以太”的運動。的運動。J.J.J.J.湯姆湯姆遜在遜在19091909年宣稱：年宣稱：“以太并不是思辨哲學(xué)家異想天開的創(chuàng)造，以太并不是思辨哲學(xué)家異想天開的創(chuàng)造，對我們來說，就象我們呼吸空氣一樣不可缺少對我們來說，就象

24、我們呼吸空氣一樣不可缺少”。 2.3 2.3 狹義相對論被承認(rèn)和接受的過程狹義相對論被承認(rèn)和接受的過程 1911 1911年美國科學(xué)協(xié)會主席馬吉（年美國科學(xué)協(xié)會主席馬吉（M.F.MagieM.F.Magie）說：）說：“我相信，我相信，現(xiàn)在沒有任何一個活著的人真的會斷言，他能夠想象出時間是現(xiàn)在沒有任何一個活著的人真的會斷言，他能夠想象出時間是速度的函數(shù)。速度的函數(shù)?！北粣垡蛩固棺u為相對論先驅(qū)的馬赫，竟聲明自被愛因斯坦譽為相對論先驅(qū)的馬赫，竟聲明自己與相對論沒有關(guān)系，己與相對論沒有關(guān)系，“不承認(rèn)相對論不承認(rèn)相對論”。有一位科學(xué)史家叫。有一位科學(xué)史家叫惠特克（惠特克（S.E.WhittakerS.

25、E.Whittaker）在寫相對論的歷史時，竟把相對論）在寫相對論的歷史時，竟把相對論的創(chuàng)始人歸于彭加勒和洛侖茲，認(rèn)為愛因斯坦只是對彭加勒和的創(chuàng)始人歸于彭加勒和洛侖茲，認(rèn)為愛因斯坦只是對彭加勒和洛侖茲的相對論加了一些補充。洛侖茲的相對論加了一些補充。 愛因斯坦是愛因斯坦是19221922年獲諾貝爾物理獎的。不過不是由于他建年獲諾貝爾物理獎的。不過不是由于他建立了相對論，而是立了相對論，而是“為了他的理論物理學(xué)研究，特別是光電效為了他的理論物理學(xué)研究，特別是光電效應(yīng)定律 的 發(fā) 現(xiàn)應(yīng)定律 的 發(fā) 現(xiàn)” 。諾貝爾物理獎委員會主席奧利維亞。諾貝爾物理獎委員會主席奧利維亞（AurivillusAuri

26、villus）為此專門寫信給愛因斯坦，指明他獲獎的原因）為此專門寫信給愛因斯坦，指明他獲獎的原因不是基于相對論，并在授獎典禮上解釋說：因為有些結(jié)論目前不是基于相對論，并在授獎典禮上解釋說：因為有些結(jié)論目前還正在經(jīng)受嚴(yán)格的驗證。還正在經(jīng)受嚴(yán)格的驗證。愛因斯坦的論文發(fā)表后，愛因斯坦的論文發(fā)表后，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)受到冷遇，被人們懷疑受到冷遇，被人們懷疑甚至遭到反對。甚至遭到反對。 普朗克和閔可夫斯基（普朗克和閔可夫斯基（H.MinkowskiH.Minkowski）可以說是支持相對論）可以說是支持相對論的代表。正是普朗克，當(dāng)時作為的代表。正是普朗克，當(dāng)時作為物理學(xué)年鑒物理學(xué)年

27、鑒的主編，認(rèn)識的主編，認(rèn)識到愛因斯坦所投論文的價值，及時地予以發(fā)表。所以人們常說，到愛因斯坦所投論文的價值，及時地予以發(fā)表。所以人們常說，普朗克有兩大發(fā)現(xiàn)，一是發(fā)現(xiàn)了作用量子，二是發(fā)現(xiàn)了愛因斯普朗克有兩大發(fā)現(xiàn)，一是發(fā)現(xiàn)了作用量子，二是發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦。他的學(xué)生勞厄在坦。他的學(xué)生勞厄在19111911年就致力于宣傳相對論，大概也是受年就致力于宣傳相對論，大概也是受了他的影響。閔可夫斯基本是愛因斯坦的老師，了他的影響。閔可夫斯基本是愛因斯坦的老師，19081908年發(fā)表年發(fā)表空間與時間空間與時間一文，把空時一文，把空時- -時間合并成四維空間，重新處時間合并成四維空間，重新處理了相對論的基本方程，把

28、洛侖茲變換看成是空間理了相對論的基本方程，把洛侖茲變換看成是空間- -時間四維時間四維坐標(biāo)的變換。這樣就可以使相對論的規(guī)律以更加簡潔的形式表坐標(biāo)的變換。這樣就可以使相對論的規(guī)律以更加簡潔的形式表達出來。達出來。 愛因斯坦在愛因斯坦在19071907年寫文章表示，相信狹義相對論是經(jīng)得起年寫文章表示，相信狹義相對論是經(jīng)得起考驗的。果然，一年后布雪勒（考驗的。果然，一年后布雪勒（A.H.BuchererA.H.Bucherer）用改進了的方）用改進了的方法測電子質(zhì)量，得到的結(jié)果與洛侖茲法測電子質(zhì)量，得到的結(jié)果與洛侖茲- -愛因斯坦公式符合甚好。愛因斯坦公式符合甚好。以后許多實驗都證明，狹義相對論的結(jié)

29、果是正確的。可是，觀以后許多實驗都證明，狹義相對論的結(jié)果是正確的?？墒?，觀念的改變不是一朝一夕之事。念的改變不是一朝一夕之事。19111911年索爾威會議召開，由于愛年索爾威會議召開，由于愛因斯坦在固體比熱的研究上有一定影響，人們才注意到他在狹因斯坦在固體比熱的研究上有一定影響，人們才注意到他在狹義相對論方面的工作。只是到了義相對論方面的工作。只是到了19191919年，愛因斯坦的廣義相對年，愛因斯坦的廣義相對論得到了日全食觀測的證實，他成為公眾矚目的人物，狹義相論得到了日全食觀測的證實，他成為公眾矚目的人物，狹義相對論才開始受到應(yīng)有的重視。對論才開始受到應(yīng)有的重視。三三. . 廣義相對論的建

30、立廣義相對論的建立 狹義相對論建立以后，愛因斯坦并沒有止步。他認(rèn)為狹義狹義相對論建立以后，愛因斯坦并沒有止步。他認(rèn)為狹義相對論還有許多問題沒有解決。例如：為什么慣性坐標(biāo)系在物相對論還有許多問題沒有解決。例如：為什么慣性坐標(biāo)系在物理學(xué)中比其他坐標(biāo)系更為優(yōu)越？為什么慣性質(zhì)量隨能量變化？理學(xué)中比其他坐標(biāo)系更為優(yōu)越？為什么慣性質(zhì)量隨能量變化？為什么一切物體在引力場中下落都具有同樣的加速度？剛剛經(jīng)為什么一切物體在引力場中下落都具有同樣的加速度？剛剛經(jīng)受住考驗的狹義相對論，為什么一用到引力場中就遇到了矛盾？受住考驗的狹義相對論，為什么一用到引力場中就遇到了矛盾？愛因斯坦感到極大的疑惑。經(jīng)過一段時間的嘗試，

31、愛因斯坦在愛因斯坦感到極大的疑惑。經(jīng)過一段時間的嘗試，愛因斯坦在19071907年認(rèn)識到，年認(rèn)識到，“在狹義相對論的框子里，是不可能有令人滿在狹義相對論的框子里，是不可能有令人滿意的引力理論的。意的引力理論的?！?.1 3.1 廣義相對論的建立過程廣義相對論的建立過程 1907 1907年，愛因斯坦發(fā)表第一篇有關(guān)廣義相對論的論文：年，愛因斯坦發(fā)表第一篇有關(guān)廣義相對論的論文：關(guān)于相對論原理和由此得出的結(jié)論關(guān)于相對論原理和由此得出的結(jié)論，文中首次提出等價原，文中首次提出等價原理（等效原理）的假設(shè)，即：理（等效原理）的假設(shè)，即：“引力場同參照系的相當(dāng)?shù)募铀僖鐾瑓⒄障档南喈?dāng)?shù)募铀俣仍谖锢砩贤耆葍r

32、。度在物理上完全等價?！蔽闹羞€提出了另一條基本原理，即廣文中還提出了另一條基本原理，即廣義相對性原理，他設(shè)想，相對性運動原理對于相互作加速運動義相對性原理，他設(shè)想，相對性運動原理對于相互作加速運動的參照系也依然成立，他假設(shè)可以用一個均勻加速的參照系來的參照系也依然成立，他假設(shè)可以用一個均勻加速的參照系來代替均勻引力場。代替均勻引力場。 愛因斯坦研究廣義相對論，經(jīng)歷了一個比建立狹義相對論愛因斯坦研究廣義相對論，經(jīng)歷了一個比建立狹義相對論還更漫長的探索道路。從還更漫長的探索道路。從19071907年到年到19161916年的九年時間，愛因斯年的九年時間，愛因斯坦先后發(fā)表了好幾篇論文，使廣義相對論逐

33、步完備。他遇到的坦先后發(fā)表了好幾篇論文，使廣義相對論逐步完備。他遇到的主要困難是缺乏合適的數(shù)學(xué)工具。主要困難是缺乏合適的數(shù)學(xué)工具。 1913 1913年，愛因斯坦與格羅斯曼年，愛因斯坦與格羅斯曼(M.Grossmann(M.Grossmann) )合作，建立了合作，建立了引力的度規(guī)場理論，他們聯(lián)名發(fā)表了引力的度規(guī)場理論，他們聯(lián)名發(fā)表了廣義相對論和引力論廣義相對論和引力論，系統(tǒng)地論述了廣義相對論的物理原理和數(shù)學(xué)方法。他們引入了系統(tǒng)地論述了廣義相對論的物理原理和數(shù)學(xué)方法。他們引入了黎曼張量，把平直空間的張量運算推廣到彎曲的黎曼空間。黎曼張量，把平直空間的張量運算推廣到彎曲的黎曼空間。 1915 1

34、915年，愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了幾篇有關(guān)廣義相對論的論文。年，愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了幾篇有關(guān)廣義相對論的論文。其中其中用廣義相對論解釋水星近日點運動用廣義相對論解釋水星近日點運動第一次用廣義相對第一次用廣義相對論計算出了水星的剩余進動，并且聲明：論計算出了水星的剩余進動，并且聲明：“在本文中我找到了在本文中我找到了這種最徹底和最完全的相對論的一個重要證明。這種最徹底和最完全的相對論的一個重要證明?！蓖臧l(fā)表了同年發(fā)表了引力的場方程引力的場方程，提出了廣義相對論引力場方程的完整形式。，提出了廣義相對論引力場方程的完整形式。 1916 1916年，愛因斯坦發(fā)表了年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論的基礎(chǔ)廣義相對論

35、的基礎(chǔ)，對廣義相，對廣義相對論的研究作了全面的總結(jié)。在論文中，愛因斯坦證明了牛頓對論的研究作了全面的總結(jié)。在論文中，愛因斯坦證明了牛頓理論可以作為相對論引力理論的第一級近似，并且給出了譜線理論可以作為相對論引力理論的第一級近似，并且給出了譜線紅移，光線彎曲，行星軌道近日點進動的理論預(yù)言。紅移，光線彎曲，行星軌道近日點進動的理論預(yù)言。 在廣義相對論建立之初，愛因斯坦提出了三項實驗檢驗，在廣義相對論建立之初，愛因斯坦提出了三項實驗檢驗，一是水星近日點的進動，二是光線在引力場中的彎曲，三是光一是水星近日點的進動，二是光線在引力場中的彎曲，三是光譜線的引力紅移。其中只有水星近日點進動是已經(jīng)確認(rèn)的事實，

36、譜線的引力紅移。其中只有水星近日點進動是已經(jīng)確認(rèn)的事實，其余兩項只是后來才陸續(xù)得到證實。其余兩項只是后來才陸續(xù)得到證實。6060年代以后，又有人提出年代以后，又有人提出觀測雷達回波延遲、引力波等方案。觀測雷達回波延遲、引力波等方案。 3.2.1 3.2.1 水星近日點的進動水星近日點的進動 1859 1859年，天文學(xué)家勒維利埃（年，天文學(xué)家勒維利埃（Le VerrierLe Verrier）發(fā)現(xiàn)水星近日）發(fā)現(xiàn)水星近日點進動的觀測值，比根據(jù)牛頓定律計算的理論值每百年快點進動的觀測值，比根據(jù)牛頓定律計算的理論值每百年快3838角角秒。秒。18821882年，紐康姆（年，紐康姆（S.Newcomb

37、S.Newcomb）經(jīng)過重新計算，得出水星）經(jīng)過重新計算，得出水星近日點的多余進動值為每百年近日點的多余進動值為每百年4343角秒。角秒。 3.2 3.2 廣義相對論的驗證廣義相對論的驗證 1915 1915年，愛因斯坦根據(jù)廣義相對論把行星的繞日運動看成年，愛因斯坦根據(jù)廣義相對論把行星的繞日運動看成是它在太陽引力場中的運動，由于太陽的質(zhì)量造成周圍空間發(fā)是它在太陽引力場中的運動，由于太陽的質(zhì)量造成周圍空間發(fā)生彎曲，使行星每公轉(zhuǎn)一周近日點進動為：生彎曲，使行星每公轉(zhuǎn)一周近日點進動為： 其中其中為行星的長半軸，為行星的長半軸，c c為光速，以為光速，以cm/scm/s表示，表示，e e為偏心為偏心率

38、，率，T T為公轉(zhuǎn)周期。對于水星，計算出為公轉(zhuǎn)周期。對于水星，計算出=43/=43/百年，正好與紐百年，正好與紐康姆的結(jié)果相符，一舉解決了牛頓引力理論多年未解決的懸案?？的返慕Y(jié)果相符，一舉解決了牛頓引力理論多年未解決的懸案。這個結(jié)果當(dāng)時成了廣義相對論最有力的一個證據(jù)。這個結(jié)果當(dāng)時成了廣義相對論最有力的一個證據(jù)。 22222241T ce 3.2.2 3.2.2 光線在引力場中的彎曲光線在引力場中的彎曲 1911 1911年愛因斯坦在年愛因斯坦在引力對光傳播的影響引力對光傳播的影響一文中討論了一文中討論了光線經(jīng)過太陽附近時由于太陽引力的作用會產(chǎn)生彎曲。他推算光線經(jīng)過太陽附近時由于太陽引力的作用會

39、產(chǎn)生彎曲。他推算出偏角為出偏角為0.83(0.83(其實該結(jié)果有誤其實該結(jié)果有誤, ,因為愛因斯坦當(dāng)時只考慮到因為愛因斯坦當(dāng)時只考慮到等價原理而沒有考慮到太陽質(zhì)量導(dǎo)致的空間幾何形變，計算結(jié)等價原理而沒有考慮到太陽質(zhì)量導(dǎo)致的空間幾何形變，計算結(jié)果小了一半。果小了一半。) )，并且指出這一現(xiàn)象可以在日全食進行觀測。，并且指出這一現(xiàn)象可以在日全食進行觀測。 1919 1919年日全食期間，英國皇家學(xué)會和英國皇家天文學(xué)會派出年日全食期間，英國皇家學(xué)會和英國皇家天文學(xué)會派出了由愛丁頓（了由愛丁頓（A.S.FEddingtonA.S.FEddington）等人率領(lǐng)的兩支觀測隊分赴西）等人率領(lǐng)的兩支觀測隊分

40、赴西非幾內(nèi)亞灣的普林西比島（非幾內(nèi)亞灣的普林西比島（PrincipePrincipe）和巴西的索布臘兒爾）和巴西的索布臘兒爾（SobralSobral）兩地觀測。經(jīng)過比較，兩地的觀測結(jié)果分別為）兩地觀測。經(jīng)過比較，兩地的觀測結(jié)果分別為1.611.610.300.30和和1.981.980.120.12。把當(dāng)時測到的偏角數(shù)據(jù)跟愛因。把當(dāng)時測到的偏角數(shù)據(jù)跟愛因斯坦的理論預(yù)期比較，基本相符。斯坦的理論預(yù)期比較，基本相符。 愛丁頓（愛丁頓（1882188219441944） Arthur Arthur Stanley EddingtonStanley Eddington，英國天文學(xué)家，英國天文學(xué)家 、

41、物、物理學(xué)家理學(xué)家 。1882 1882 年年1212月月2828日生于肯德爾，日生于肯德爾，19441944年年1111月月2222日卒于劍橋。日卒于劍橋。1616歲進歐文學(xué)歲進歐文學(xué)院（曼徹斯特大學(xué)的前身），院（曼徹斯特大學(xué)的前身），2323歲畢業(yè)于歲畢業(yè)于劍橋大學(xué)三一學(xué)院。劍橋大學(xué)三一學(xué)院。19061906年到格林尼治天年到格林尼治天文臺工作，文臺工作，19131913年任劍橋大學(xué)天文學(xué)教授，年任劍橋大學(xué)天文學(xué)教授，19141914年后兼任該校天文臺臺長。曾任英國年后兼任該校天文臺臺長。曾任英國皇家天文學(xué)會會長、英國物理學(xué)會會長、皇家天文學(xué)會會長、英國物理學(xué)會會長、英國數(shù)學(xué)協(xié)會會長。英國

42、數(shù)學(xué)協(xié)會會長。1938193819441944年當(dāng)選國年當(dāng)選國際天文學(xué)聯(lián)合會主席。際天文學(xué)聯(lián)合會主席。 愛丁頓在一次跨越大西洋的旅途中計算出宇宙中共有愛丁頓在一次跨越大西洋的旅途中計算出宇宙中共有15747724136275002577605653961181555468044717914527116715747724136275002577605653961181555468044717914527116709366231425076185631031296 09366231425076185631031296 個質(zhì)子和相同數(shù)目的電子。個質(zhì)子和相同數(shù)目的電子。這個數(shù)為這個數(shù)為136136 2

43、 2256256，被稱為，被稱為愛丁頓數(shù)。愛丁頓數(shù)。 通常物體的引力場都太弱，通常物體的引力場都太弱，2020世紀(jì)只能觀測到太陽引力場世紀(jì)只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲引起的光線彎曲由于太陽引力由于太陽引力場的作用，我們場的作用，我們有可能觀測到太有可能觀測到太陽后面的恒星，陽后面的恒星，最好的觀測時間最好的觀測時間是發(fā)生日全食的是發(fā)生日全食的時候時候 19191919年年5 5月月2929日，發(fā)生日全食，英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和日，發(fā)生日全食，英國考察隊分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進行觀測，證實了愛因斯坦的預(yù)言，這是對相對論的最早巴西進行觀測，證實了愛因斯坦的預(yù)言，這是對相對論的最早證實。證實。恒

44、星恒星太陽太陽月亮月亮地球地球星體星體無法觀測黑黑洞洞 光線在引力場中彎曲的一個必然推論是引力透鏡問題。早光線在引力場中彎曲的一個必然推論是引力透鏡問題。早在在19201920年愛丁頓就提出引力透鏡效應(yīng)可作為廣義相對論的一種年愛丁頓就提出引力透鏡效應(yīng)可作為廣義相對論的一種檢驗；檢驗；星球的強引力場能使背后星球的強引力場能使背后傳來的光線匯聚，這種現(xiàn)傳來的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)。象叫做引力透鏡效應(yīng)。3.2.3 3.2.3 光譜線的引力紅移光譜線的引力紅移 廣義相對論指出，在強引力場中時鐘要走得慢些，因此從廣義相對論指出，在強引力場中時鐘要走得慢些，因此從巨大質(zhì)量的星體表面發(fā)射到地球上的光