【正文】 一定律，相應地得到所有的慣性參考系，可是我們卻無法判斷哪個參考系是絕對時空；而如果我們找不到任何一個慣性參考系，那就同樣意味著找不到絕對時空?！迸ｎD第一定律的實質(zhì)就是確立慣性參考系在自然界的地位，而牛頓第二定律則只是相對于慣性 參考系才成立，那么接下來的問題就是如何判斷一個參考系是否慣性參考系 ? 牛頓給出的答案是假設(shè)自然界存在一個絕對時空，然后任何相對于這個絕對時空作勻速直線運動的參考系就可以作為慣性參考系。 讓我們回顧一下牛頓力學的基本思想，這樣能有助于我們理解這些概念的相互關(guān)系，而不至于造成概念混亂。狹義相對論徹底從邏輯上完善了牛頓力學，并且使得牛頓力學和電磁學完全自恰了。這四位近代物理學創(chuàng)立者是：伽利略、牛頓、 麥克斯韋和洛倫茲。 1955 年 4 月 18 日因主動脈瘤破裂逝世于普林斯頓。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前夕，美國在日本兩個城市上空投擲子彈，愛因斯坦對此強烈不滿。 1940 年他取得美國國籍。 1933 年 1 月納粹攫取德國政權(quán)后，愛因斯坦是科學界首要的迫害對象，幸而當時他在美國講學，未遭毒手。 1925 年以后， 愛因斯坦全力以赴去探索統(tǒng)一場論。 廣義相對論建成后，愛因斯坦依然感到不滿足，要把廣義相對論再加以推廣，使它不僅包括引力場，也包括電磁場。他認為，可能的出路是把宇宙看作是一個具有有限空間體積的自身閉合的連續(xù)區(qū)，以科學論據(jù)推論宇宙在空間上是有限無邊的。 1917 年，愛因斯坦用廣義相對論的結(jié)果來研究宇宙的時空結(jié)構(gòu)，發(fā)表了開創(chuàng)性的論文《根據(jù)廣義相對論對宇宙所做的考察》。 1916 年 6 月，愛因斯 坦在研究引力場方程的近似積分時，發(fā)現(xiàn)一個力學體系變化時必然發(fā)射出以光速傳播的引力波，從而提出引力波理論。在第一篇論文中他得到了滿足守恒定律的普遍協(xié)變的引力場方程，第三篇論文中，根據(jù)新的引力場方程，推算出光線經(jīng)過太陽表面所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)是 弧秒，同時還推算出水星近日點每 100年的進動是 43 秒，完滿解決了 60 多年來天文學的一大難題。 1915 年 7 月以后，愛因斯坦在走了兩年 多彎路后，又回到普遍協(xié)變的要求。 在 1915 年 后 的 三 年中，是愛因斯坦科學 研究 成就的第二個高峰，他 又 在三個不同領(lǐng)域中分別取得了歷史性的成就。 1914 年，應 和 ，回德國任威廉皇帝物理研究所所長兼柏林大學教授，直至 1933 年。在他的同班同學、母校任數(shù)學教授的格羅斯曼幫助下，他在黎曼幾何和張量分析中找到了建立廣義相對論的數(shù)學工具。在這一年，他的大學老師、著名幾何學家閔可夫斯基提出了狹義相對論的四維空間表示形式，為相對論進一步發(fā)展提供了有用的數(shù)學工具 。 1907 年開始研究引力場理論，在論文《關(guān)于對性原理和由此得出的結(jié)論》中提出均勻引力場同均 勻加速度的等效原理。質(zhì)能相當性是原子核物理學和粒子物理學的理論基礎(chǔ)，也為 20 世紀 40 年代實現(xiàn)的核能的釋放和利用開辟了道路。這是愛因斯坦 10 年醞釀和探索的結(jié)果，它在很大程度上解決了 19 世紀末 出現(xiàn)的古典物理學的危機，改變了牛頓力學的時空觀念，揭露了物質(zhì)和能量的相當性，創(chuàng)立了全新的物理學 時空觀 ，是近代物理學領(lǐng)域最偉大的革命。從而無可非議的證明了原子和分子的客觀存在，這使最堅決反對原子論的德國化學家、唯能論的創(chuàng)始人奧斯特瓦爾德于 1908 年主動宣布： “原子假說已經(jīng)成為一種基礎(chǔ)鞏固的科學理論 ”。愛因斯坦當時通過觀測由分子運動的漲落現(xiàn)象所產(chǎn)生的懸浮粒子的無規(guī)則運動，來測定分子的實際大小 問題。 5月完成了《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》。 在此之后 愛因斯坦在光、熱、電物理學的三個領(lǐng)域中 均取得了非常大的成就 。這一關(guān)系 10 年后由密立根給予實驗證實。這 在 歷史上第一次揭示了 光的 波粒二象性。 圖 111 愛因斯坦 2 1905 年 3 月，愛因斯坦 在 德國《物理年報》 雜志上發(fā)表 論文名叫《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個推測性觀點》。它不僅把這一結(jié)果用于力學體系和熱現(xiàn)象，而且大膽地用于輻射現(xiàn)象，得出輻射能漲落的公式，從而導出維恩位移定律。 1900～ 1904 年，愛因斯坦每年都寫出一篇論 文，發(fā)表于德國《物理學雜志》。 1903 年，他與大學同學米列娃 .瑪麗克結(jié)婚。在學校中，他廣泛的閱讀了赫爾 姆霍茲、赫茲等物理學大師的著作，他最著迷的是 麥克斯韋 的電磁理論。 愛因斯坦十六歲時報考瑞士蘇黎世的聯(lián)邦工業(yè)大學工程系，可是入學考試卻告失敗。 12 歲時他 就 讀 了 《幾何原本》，并練習用自己的方法證明定理。雅各布是一個工程師，自己就非常喜愛數(shù)學。 母親玻琳是受過中等教育的家庭婦女，非常喜歡音樂，在愛因斯坦六歲時就教他拉小提琴。愛因斯坦 和叔父 雅各布 一年后，隨全家遷居慕尼黑。 1. 愛因斯坦生平 愛因斯坦（ Albert Einstein,1879～ 1955） 20 世紀最偉大的物理學家， 二十世紀物理 學革命的旗手。正是這兩朵烏云的到來引起了世紀之交的一場物理學革命，在這場革命中誕生了相對論和量子力學。然而，開爾文不愧為杰出的物理學家，它同時指出明朗的天空中還有兩朵烏云，一朵與黑體輻射碰到的困難有關(guān)，另一朵與“以太”（光行差）理論碰到的困難有關(guān)?！? 在 20 世紀降臨之際，著名熱力學家開爾文在英國皇家學會迎接新世紀的慶祝會上致辭說：經(jīng)典物理學的大廈已經(jīng)建成，未來的物理學家們只需要做些修修補補的工作就 行了。 1 第十二講 相對論的世界 19 世紀理論科學的巔峰狀態(tài)以及其中隱含的危機以物理學最為典型。海王星的發(fā)現(xiàn)顯示了牛頓力學無比強大的理論威力，光學、電磁學與力學的統(tǒng)一使物理學顯示出了一個較為完整的框架，德國著名物理學家普郎克年輕時曾向他的老師表示要獻身于理論物理學，但他的老師勸他：“年輕人，物理學已經(jīng)完成了科學，還會再有多大的發(fā)展了，將一生獻給這門科學，太可惜了。他的講話，顯示了當時物理學界對自己在力學、熱學、電磁學、光學諸領(lǐng)域取得的成就的自豪感和信心。 實際上物理學中大量的新現(xiàn)象與已成完美體系的古典理論之間的矛盾日漸突出，釀成了深刻的危機。而相對論的創(chuàng)立者就是偉大的物理學家 —— 愛因斯坦。 1879 年 3 月 14 日生于德國烏耳姆一個經(jīng)營電器作坊的 猶太人 小業(yè)主家庭。 父親赫爾曼 愛因斯坦 在那里合辦一個為電站和照明系統(tǒng)生產(chǎn)電機、弧光燈和電工儀表的電器工廠。 愛因斯坦的叔叔雅各布在電器工廠里專門負責技術(shù)方面的事務(wù)，愛因斯坦的父親則負責商業(yè)的往來。 在叔父的影響下，愛因斯坦較早的受到了科學和哲學的啟蒙。 13 歲時讀了康德的《純粹理性批判》，使他的思考轉(zhuǎn)向宇宙、哲學和自然現(xiàn)象中的邏輯。 1895 年在阿勞入大學預科班 ，那時的 他 有 隨時將思考 的問題 記 入 身邊的小本 的習慣 ，例如 “追光問題 ”：觀察者隨光前進時，會不會看見電磁波形成停止的駐波？ 1896 年 10 月，愛因斯坦 在 蘇黎世工業(yè)大學的師范系學習數(shù)學和物理學。 1902 年 6 月 23 日，愛因斯坦正式受聘于專利局，任三級技術(shù)員，工作職責是審核申請專利權(quán)的各種技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造。 此后在 這里的 7年是他輝煌的科學創(chuàng)造時期。 1901 年提出統(tǒng)計力學的一些基本理論， 1904 年的論文認真探討了統(tǒng)計力學所預測的漲落現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)能量漲落取決于玻爾茲曼常數(shù)。漲落現(xiàn)象的研究，使他于 1905 年在輻射理論和分子運動論兩方面同時做出重大突破。這篇論文把普朗克 1900 年提出的量子概念推廣到光在空間中的傳播情況，提出光 量子假說。在文章的結(jié)尾，他用光量子概念解釋了經(jīng)典物理學無法解釋的光電效應，推導出光電子的最大能量同入射光的頻率之間的關(guān)系。 1921 年，愛因斯坦因為 “光電效應定律的發(fā)現(xiàn) ”這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎。 1905 年 4月，愛因斯坦完成了 論文 《分子大小的新測定法》 ，并以此取得蘇黎世大學的博士學位。這是兩篇關(guān)于布朗 運動的研究的論文。 三年后，法國物理學家佩蘭以精密的實驗證實了愛因斯坦的理論預測。 1905 年 6 月，愛因斯坦完成了開創(chuàng)物理學新紀元的長論文《論運體的電動力學》，完整的提出了狹義相對論。 1905 年 9 月，愛因斯坦寫了一篇短文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》，作為相對論的一個推論。 狹義相對論建立后，愛因斯坦并不感到滿足，力圖把相對性原理的適用范圍推廣到非慣性系。 他從伽利略發(fā)現(xiàn)的引力場中一切物體都具有同一加速度這一古老實驗事實找到了突破口，提出了等效原理。 1911 年任布拉格德語大學理論物理學教授， 1912 年，愛因斯坦回到蘇黎世母校工作。經(jīng)過一年的奮力合作，他們于 1913 年發(fā)表了重要論文《廣義相對論綱要和引力理論》，提出了引 力的度規(guī)場理論。 1920 年應 和 （即厄任費斯脫）的邀請，兼任荷蘭萊頓大學特邀教授。除了 1915 年最后建成了被公認為人類思想史中最偉大的成就之一的廣義相對論以外， 1916 年在輻射量子方面提出引力波理論， 1917 年又開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學。 1915 年 10月到 11 月，他集中精力探索新的引力場方程，一連向普魯士科學院提交了四篇論文。 1915 年 11 月 25 日的論文《引力的場方程》中，他放棄了對變換群的不必要限制，建立 3 了真正普遍協(xié)變的引力場方程，宣告廣義相對論 誕生 了。 1979 年，在愛因斯坦逝世 24 年后，間接證明了引力波存在。論文分析了 “宇宙在空間上是無限的 ”這一傳統(tǒng)觀念，指出它同 牛頓 引力理論和廣義相對論都是不協(xié)調(diào)的。 他所作的光線經(jīng)過太陽引力場要彎曲的預言，于 1919 年由英國天文學家 人的日全食觀測結(jié)果所證實，全世界為之轟動，愛因斯坦和相對在西方成了家喻戶曉的名詞。他認為這是相對論發(fā)展的第三個階段 ——統(tǒng)一場論。 1937 年，在兩個助手合作下，他從廣義相對論的引力場方程推導出運動方程，進一步揭示了空間 ——時間、物質(zhì)、運動之間的統(tǒng)一性，這是廣義相對論的重大發(fā)展，也是愛因斯坦在科學創(chuàng)造