物理學(xué)之美—愛因斯坦

1、愛因斯坦科學(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世紀著名世紀著名的理論物理學(xué)家、思想的理論物理學(xué)家、思想家及哲學(xué)家，也是相對家及哲學(xué)家，也是相對論的創(chuàng)立者，是現(xiàn)代物論的創(chuàng)立者，是現(xiàn)代物理學(xué)及二十世紀最重要理學(xué)及二十世紀最重要的科學(xué)家之一。的科學(xué)家之一。生平簡介生平簡介 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。曾在伯爾尼專利局任職。蘇黎世工業(yè)大學(xué)在伯爾尼專利局任職。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，任柏林威廉皇帝物理研年返德國，任柏林威廉皇帝物理研究所長和柏林大學(xué)教授，并當選為普魯究所長和柏林大學(xué)教授，并當選為普魯士科學(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，年因受納粹政權(quán)迫害，遷居美國，任普林斯頓高級研究所教授，從事理論任普林斯頓高級研究所教授，從事理論物理研究，物理研究， 1940年入美國國籍。年入美國國籍。趣話愛因斯坦科學(xué)牛人之愛因斯坦0228音樂天賦愛因斯坦演奏莫扎特奏鳴曲（珍貴歷史錄音）063619211921年的愛因斯坦年的愛因斯坦“愛因斯坦奇跡年愛因斯坦奇跡年” 在在19051

3、905年愛因斯坦發(fā)表了年愛因斯坦發(fā)表了6 6篇劃時代的篇劃時代的論文，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)化的一個試探性觀點關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點2.2.分子大小的新測定方法分子大小的新測定方法3.3.熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動粒子的運動4.4.論動體的電動力學(xué)論動體的電動力學(xué)：首次提出了狹義：首次提出了狹義相對論基本原理，論文中提出了兩個基本公相對論基本原理，論文中提出了兩個基本公理：理：“光速不變光速不變”，以及，以及“相對性原理相對性原理”。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.布朗運動的一些檢視布朗運動的一些檢視愛因斯坦的主要科學(xué)貢獻愛因斯坦的主要科學(xué)貢獻狹義相對論狹義相對論廣義相對論廣義相對論光量子假說光量子假說相對性相對性光速不變原理光速不變原理等效原理等效原理廣義相對性廣義相對性近代物理學(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了人們對宇宙促進了人們對宇宙的認識及觀測研究的認識及觀測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)，推動量子力學(xué)的發(fā)展動量子力學(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)獎諾貝爾物理學(xué)獎相對論相對論狹義相對論狹義

5、相對論廣義相對論廣義相對論光速在所有慣性參考系光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運動中不變，它是物體運動的最大速度。由于相對的最大速度。由于相對論效應(yīng)，運動物體的長論效應(yīng)，運動物體的長度會變短，運動物體的度會變短，運動物體的時間膨脹。時間膨脹。 以幾何語言建立而成的以幾何語言建立而成的引力理論，統(tǒng)合了狹義引力理論，統(tǒng)合了狹義相對論和牛頓的萬有引相對論和牛頓的萬有引力定律，將引力改描述力定律，將引力改描述成因時空中的物質(zhì)與能成因時空中的物質(zhì)與能量而彎曲的時空，以取量而彎曲的時空，以取代傳統(tǒng)對于引力是一種代傳統(tǒng)對于引力是一種力的看法。力的看法。 (1905年年)(1915年年)佯謬問題佯謬問題時

6、鐘雙生子佯謬時鐘雙生子佯謬:相對論誕生后，曾經(jīng)有一個令相對論誕生后，曾經(jīng)有一個令人極感興趣的疑難問題人極感興趣的疑難問題雙生子佯謬。一對雙雙生子佯謬。一對雙生子甲和乙，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)過漫長歲月返回地球。愛因斯坦由相對論行，經(jīng)過漫長歲月返回地球。愛因斯坦由相對論斷言，二人經(jīng)歷的時間不同，重逢時甲將比乙年斷言，二人經(jīng)歷的時間不同，重逢時甲將比乙年輕。比如在這一對孿生兄弟輕。比如在這一對孿生兄弟20歲時，甲乘飛船作歲時，甲乘飛船作太空飛行，甲認為飛行時間只有一年，在其返回太空飛行，甲認為飛行時間只有一年，在其返回地面時，甲只有地面時，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。 狹義相對論狹義相對論愛因斯坦的相對論認為，愛因斯坦的相對論認為，光速在所有慣性參考系中光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運動的最不變，它是物體運動的最大速度。大速度。由于相對論效應(yīng)，運動由于相對論效應(yīng)，運動物體的長度會變短，運動物體的長度會變短，運動物體的時間膨脹。物體的時間膨脹。但由于日常生活中所遇但由于日常生活中所遇到的問題，運動速度都是到的問題，運動速度都是很低的（與光速相比），很低的（與光速相比），看不出相對論效應(yīng)?？床怀鱿鄬φ撔?yīng)。 狹義相對論的證明

8、狹義相對論的證明1966年，科學(xué)家在實驗中測得年，科學(xué)家在實驗中測得子繞圓形子繞圓形軌道高速運動時，其平均壽命比在地面上靜軌道高速運動時，其平均壽命比在地面上靜止的止的子的平均壽命長。子的平均壽命長。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。這些實驗證明了狹義相對論的正確性，同時也就實驗證明了狹義相對論的正確性，同時也就間接解釋了間接解釋了“雙生子佯謬雙生子佯謬”這個問題。這個問題。狹義相對論的副產(chǎn)品狹義相對論的副產(chǎn)品狹義相對論最著名的推論是質(zhì)能公式：狹義相

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

10、廣義相對論則是討論有引力作用時的物理學(xué)的。用相對論的語言來說，就是作用時的物理學(xué)的。用相對論的語言來說，就是狹義相對論的背景時空是平直的，而廣義相對論狹義相對論的背景時空是平直的，而廣義相對論的背景時空則是彎曲的。的背景時空則是彎曲的。 廣義相對論的提出廣義相對論的提出1915年年11月月25日，愛因斯坦把題為日，愛因斯坦把題為“萬有萬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論。在這篇文章中院，完整地論述了廣義相對論。在這篇文章中他不僅解釋了天文觀測中發(fā)現(xiàn)的水星軌道近日他不僅解釋了天文觀測中發(fā)現(xiàn)的水星軌道近日點移動之謎，而且還預(yù)言

11、：星光經(jīng)過太陽會發(fā)點移動之謎，而且還預(yù)言：星光經(jīng)過太陽會發(fā)生偏折，偏折角度相當于牛頓理論所預(yù)言的數(shù)生偏折，偏折角度相當于牛頓理論所預(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論給狹義相對論提出了困難，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，在整個宇宙中在整個宇宙中不存在慣性觀不存在慣性觀測者。愛因斯測者。愛因斯坦為了解決這坦為了解決這一問題又提出一問題又提出了廣義相對論了廣義相對論 廣義相對論廣義相對論廣廣義義相相對對論論黑洞黑洞四維彎曲時空四維彎曲時空有限無邊宇宙有限無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)說大爆炸宇宙學(xué)說為了證明廣義相對論的正確，愛因斯坦為了證明廣義相對論的正確，愛因斯坦求助于天文學(xué)觀測，提出了三個可以用天文求助于天文學(xué)觀測，提出了三個可以用天文學(xué)觀測來驗證的廣義相對論效應(yīng)。學(xué)觀測來驗證的廣義相對論效應(yīng)。第一、愛因斯坦用廣義相對論解決了長期懸第一、愛因斯坦用廣義相對論解決了長期懸而未解的水星近日點附加進動問題，計算結(jié)果而未解的水星近日點附加進動問題，計算結(jié)果與觀測符合得很好；與觀測符合得很好；第二、預(yù)言了光線在太陽引力場中會第二、預(yù)言了光線在太陽引力場中會彎曲；彎曲；第三、預(yù)言恒星發(fā)出的光譜譜線由于強大引第三、預(yù)言恒星發(fā)出的光譜譜線由于強大引力的作用會使其波長變長，也就

13、是發(fā)生引力紅力的作用會使其波長變長，也就是發(fā)生引力紅移。移。廣義相對論的證明廣義相對論的證明1919年年5月英國天文學(xué)家物理月英國天文學(xué)家物理學(xué)家愛丁頓和戴森分別奔赴非洲學(xué)家愛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日進行了日全食觀日進行了日全食觀測。測。11月月6日，戴森在英國皇家日，戴森在英國皇家學(xué)會和皇家天文學(xué)會聯(lián)席會議上學(xué)會和皇家天文學(xué)會聯(lián)席會議上鄭重宣布：得到證實的是愛因斯鄭重宣布：得到證實的是愛因斯坦而不是牛頓所預(yù)言的結(jié)果他稱坦而不是牛頓所預(yù)言的結(jié)果他稱贊道贊道“這是人類思想史上最偉大這是人類思想史上最偉大的成就之一。愛

14、因斯坦發(fā)現(xiàn)的不的成就之一。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的不是一個小島，而是整整一個科學(xué)是一個小島，而是整整一個科學(xué)思想的新大陸。思想的新大陸?！毕鞅槿鞅槿澜?，愛因斯坦成了舉世矚目的世界，愛因斯坦成了舉世矚目的名人。廣義相對論也被提高到神名人。廣義相對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。廣義相對論的證明廣義相對論的證明由于地球公轉(zhuǎn)引起太陽在由于地球公轉(zhuǎn)引起太陽在天球上的視位置有一個周年天球上的視位置有一個周年運動，即每天的同一時刻太運動，即每天的同一時刻太陽在星空背景上的視位置都陽在星空背景上的視位置都不同，要移動差不多一度，不同，要移動差不多一度，全年正好移動一周。所以，全年正好

15、移動一周。所以，白天出現(xiàn)在太陽背后的星空，白天出現(xiàn)在太陽背后的星空，幾個月前或幾個月后，將在幾個月前或幾個月后，將在夜間出現(xiàn)。因此在幾個月后夜間出現(xiàn)。因此在幾個月后可以拍下日食時觀測的天區(qū)?？梢耘南氯帐硶r觀測的天區(qū)。對比日食時拍下的太陽背后對比日食時拍下的太陽背后的星空和太陽不存在時的同的星空和太陽不存在時的同一星空照片，就可以測量出一星空照片，就可以測量出恒星位置的偏離。恒星位置的偏離。對愛因斯坦引入的這些全新的概念，大部分物理學(xué)對愛因斯坦引入的這些全新的概念，大部分物理學(xué)家，其中包括相對論變換關(guān)系的奠基人洛侖茲，都覺家，其中包括相對論變換關(guān)系的奠基人洛侖茲，都覺得難以接受。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年把諾貝爾獎金授予愛因斯坦年把諾貝爾獎金授予愛因斯坦時，也只是說時，也只是說“由于他對理論物理學(xué)的貢獻，更由于由于他對理論物理學(xué)的貢獻，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τ谙鄬φ撝蛔治刺帷τ谙鄬φ撝蛔治刺?。智商智商160“你和一個漂亮姑娘在公你和一個漂亮姑娘在公園長椅上坐一小時，覺得園長椅上坐一小時，覺得只過了一分鐘；你緊挨著只過了一分鐘；你緊挨著一個火爐坐一分鐘，卻覺一個火

17、爐坐一分鐘，卻覺得過了一小時。這就是相得過了一小時。這就是相對論。對論?！眰€人名言個人名言 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是少說廢話是少說廢話! ! 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，但他并無惡意。上帝是狡猾的，但他并無惡意。 在真理和認識方面，任何以權(quán)威者自居的人，必將在上帝在真理和認識方面，任何以權(quán)威者自居的人，必將在上帝的戲笑中垮臺！的戲笑中垮臺！ 凡在小事上對真理持輕率態(tài)度的人，在大事上也是不足信凡在小事上對真理持輕率態(tài)