浅谈爱因斯坦与物理观念的突破.docx

1、浅谈爱因斯坦与物理观念的突破目 录摘要1Abstract11 引言12 光量子理论2 2.1 光量子理论发现的背景2 2.2 光量子理论的发现过程及内容2 2.3 光量子理论的完善33 狭义相对论3 3.1 狭义相对论发现的背景4 3.2 洛伦兹等人在狭义相对论方面的发现4 3.3 爱因斯坦的狭义相对论54 广义相对论5 4.1 狭义相对论的缺陷6 4.2 双生子佯谬6 4.3 广义相对论65 结论7参考文献8 浅谈爱因斯坦与物理观念的突破摘 要：本文对爱因斯坦对物理学的重要贡献进行了介绍，回顾了光量子、狭义相对论以及广义相对论等理论的发现、创立过程及主要内容。他以划时代的科学贡献奠定了现代物

2、理学的理论基础，并从根本上否定了经典力学的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性；他提出了著名的质能方程，开创性地建立了质量和能量的关系。从而全面更新了人类对时间和空间、物质和能量的看法，同时也让我们对物理学有了更科学、更深刻的理解和体会。关键词：爱因斯坦；光量子；狭义相对论；广义相对论Talking about the ideas of Einstein and his breakthroughs in physicsAbstract: This article has carried on the introduction to the physics important contr

3、ibution of Einstein, reviewed theory and so on light quantum, restricted theory of relativity as well as general theory of relativity discoveries, the establishment process and the primary coverage. He has laid the modern physics rationale by the epoch-making science contribution, and fundamentally

4、denied the classical mechanics absolute space and time view, and has promulgated the time and the spatial essential attribute profoundly. He proposed the famous mass energy equation, and has established the quality and the energy relation. Thus he renewed the humanity comprehensively to the time and

5、 spatial, material and the energy view. He simultaneously let us have a more scientific and profound understanding and the experience to the physics. Key words：Einstein; light quantum; restricted theory of relativity; general theory of relativity1引言20世纪初期是物理学的大变革时期，爱因斯坦从实验事实出发，重新考查了物理学的基本概念，在理论上做出了根

6、本性的突破。爱因斯坦在物理学上的重要贡献遍布时空理论、量子论等方面。他提出的相对论是物理学领域的一次重大革命，它从根本上否定了经典力学的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性。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。并且他给出了著名的质能方程：，质能方程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。爱因斯坦完善了光量子假设，第一个成功的解释了光电效应。他是量子论的主要奠基人之一，和普朗克及玻尔等人一起建立和发展了量子理论。2光量子理论2.1 光量子理论发现的背景1900年，

7、在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言。在回顾过去岁月之后，他充满自信地说:“物理学的大厦已经建成，未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。只是明朗的天空中还有两朵乌云，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关”。然而事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905 年) 从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。19世纪下半叶，英国和德国都在努力发展钢铁工业。炼钢的关键是控制炉温，数千度的炉温，任何温度计都会熔化。于是人们希望从钢水的颜色来辨认温度，这就大大促进了对黑体辐射

8、(平衡热辐射)的研究。但是无论构造什么样的辐射模型，理论算出的黑体辐射曲线都不能与实验曲线一致。不是在长波波段符合不好，就是在短波波段出现发散，即所谓“紫外光灾难”。这就是开尔文勋爵在迎接新世纪的庆祝会上所谈的第一朵乌云 黑体辐射困难。2.2 光量子理论的发现过程及内容1900年底，德国理论物理学家普朗克发现，只要认为原子吸收或发出辐射时，能量不是连续的，而是一份一份的，就可以克服“紫外光灾难”，使黑体辐射的理论曲线与实验曲线相符。虽然以往的物理理论都导不出这一结果，然而只要这样做，就可使理论曲线与实验曲线相符。普朗克很快认识到了这一发现的重要性，他在和儿子一起散步时激动地说，这个发现如果不是

9、错误的，那么将是非常重要的，也许能够与牛顿的成就相媲美。普朗克在大学的学术会议上报告了自己的结果，这个报告也宣告了物理学的一场革命。普朗克提出了能量量子的概念，给出了著名的普朗克公式 （1）其中，是辐射量子的能量，是辐射的频率，是一个常数，就是现在众所周知的普朗克常数。普朗克的论文开创了量子论，标志着近代物理学的开端。2.3 光量子理论的完善 1900年普朗克开创性的提出能量子概念不久，爱因斯坦才清醒地洞察到物理学危机的严重性:“这就好像地基从下面给挖掉了，无论在什么地方也看不到能够进行建筑的坚实基础了”。 然而普朗克的工作是不彻底的。他认为辐射的能量仅仅在原子吸收或发射时是不连续的，一份一份

10、的，而在传播过程中，却是连续的。曾有记者问他:“您说能量到底是连续的呢，还是不连续的呢?”普朗克回答说:“如果一个人用小碗从缸里舀水, 倒在水池中, 你说水是连续的呢？还是不连续的呢?”从普朗克的回答中，我们可以看出，他认为辐射本质上还是连续的，只是在原子发射或吸收辐射时，才是一份一份的。1905年，一个名不见经传的年轻人爱因斯坦，把量子化思想贯彻到底。他认为辐射本质上就是不连续的，就是量子化的。不仅在被原子发射或吸收时，而且在传播过程中，辐射的能量都是一份一份的。爱因斯坦据此把普朗克的“量子说”推广为“光子说”，并以此解释了光电效应。普朗克最初对爱因斯坦的这一观点持批评态度，但还是建议德国物

11、理年鉴发表了这篇论文。大约十年后，普朗克和整个学术界才最终接受了爱因斯坦关于光量子的观点。以上所说的就是从第一朵乌云中降生的量子论。但是最不可思议的是，在这篇论文问世之后，物理年鉴在同一年又在普朗克的支持下发表了爱因斯坦的另外3篇论文。7月发表用分子运动论解释布朗运动的论文(间接证明了分子的存在)；9月发表“论运动物体的电动力学”(即狭义相对论)；11月发表的论文。从今天的观点看来，上述4篇论文差不多都是可以获得诺贝尔奖的。毫无疑问1905年成为了轰动世界的一年，一个原来无人知晓的26岁的青年人在物理学上作出了新的突破，开创了物理学的新纪元。3 狭义相对论建立相对论是爱因斯坦一生最伟大的成就。

12、相对论的创立并非一蹴而就，正如爱因斯坦1952年3月11日写给泽利希的信中所说:“从构思狭义相对论这个观念到写成适用于发表的论文，中间花费了五六个星期。但是这难以认为是一个生日，因为论据和基石在这以前很多年时间内已经进行准备，虽然那段时间没带来最后的解决”。3.1 狭义相对论发现的背景托马斯杨观察到光的干涉现象之后，惠更斯的波动说战胜了牛顿的微粒说。大家都认识到光是一种波动，进而又认识到，光波本质上是电磁波。人们认为既然光是波动，就应有载体。19世纪下半叶，流行的是以太理论。以太被描述成无孔不入、无所不在的东西。人们认为以太就是光的载体，光波就是以太的弹性振动。一个自然的问题是，当介质运动时它

13、附近(或者渗入它内部)的以太是否被带动?对遥远恒星的天文观测(光行差实验)告诉人们: 以太未被地球带动。但是精密的迈克尔逊实验却认为以太完全被地球带动(即地球附近的以太相对于地球静止)。法国人斐索的水流实验则似乎告诉我们，以太部分地被运动介质带动。由于这些实验的结论互相矛盾，开尔文勋爵不得不在迎接新世纪的庆祝会上指出这朵乌云的存在。3.2 洛伦兹等人在狭义相对论方面的发现为了消除菲涅耳理论与迈克尔逊实验结果之间的矛盾，洛伦兹于1892年11月在荷兰阿姆斯特丹科学院提出收缩假说，即：如果假定刚尺在相对以太（绝对空间）运动的方向上会有如下的长度收缩（洛伦兹收缩） (2)则迈克尔逊实验将测不出地球相

14、对以太的运动速度。这样迈克尔逊实验和光行差现象的矛盾就可以消除。式中是刚尺相对以太的运动速度，是光速，是刚尺静止时的长度，则是刚尺相对以太运动时的长度。洛伦兹注意到，从当时公认的伽利略变换， ， (3)，不仅推不出（2）式，而且不能使麦克斯韦方程组在此变换下不变。洛伦兹在1904年给出了一个新的惯性系之间的变换关系 （4） 此关系不仅可以使麦克斯韦电磁理论在坐标变换下不变，而且可以推出洛伦兹收缩的公式（2）。变换（4）称为洛伦兹变换，它与伽利略变换的区别不仅在数学形式上，而且在物理观念上，伽利略变换是任意两个惯性系之间的变换，是两个惯性系之间的相对速度。洛伦兹变换则是任一相对绝对空间运动的惯性

15、系（）与绝对空间静止系（一个特殊的惯性系）之间的变换。是相对于绝对空间的速度，是绝对速度。洛伦兹给出变换（4）的代价是放弃了相对性原理，认为麦克斯韦电磁理论仅在相对于绝对空间静止的参考系中成立，同时认为洛伦兹收缩是真实的物理效应，会导致物质原子结构的变形。3.3 爱因斯坦的狭义相对论1905年，爱因斯坦在不知道洛伦兹等人工作的情况下，在论运动物体的电动力学一文中从“相对性原理”和“光速不变原理” 出发，独立地导出了洛伦兹变换（4）。但对（4）式的物理解释，爱因斯坦与洛伦兹完全不同。洛伦兹认为（4）式是惯性系（）相对于绝对空间静止系(）的变换，是相对于绝对空间的绝对速度。爱因斯坦则认为根本不存在

16、绝对空间和以太，（4）式是任意两个惯性系之间的变换，是两个惯性系之间的相对速度。洛伦兹变换的最重要意义是否定了绝对时间和绝对空间观念，时间和空间不再是彼此独立无关的，它们紧密联系着，并且还和惯性系的具体特性速度有关。洛伦兹没有能跳出绝对时空观的框架，为了区分自己的理论和爱因斯坦的理论，他给爱因斯坦的理论起了个名字叫“相对论”。爱因斯坦和整个物理界欣然接受了这一命名。虽然洛伦兹高度评价爱因斯坦的功绩，但是对相对论却疑心重重，一直坚持自己的理论到生命终结。他认为物理学家可以根据自己习惯的思考方式来自由地选择理论，不管是以以太为基础的理论还是相对论。据玻恩说，他在洛伦兹逝世前去来看望他时，洛伦兹对相

17、对论的怀疑态度依然如故。爱因斯坦依然是这个26岁的年轻人，提出了开天辟地的新思想：相对论（狭义相对论），抛弃了以太理论和牛顿的绝对时空观，除去了当时物理学上空的第二朵乌云，再次实现了其在物理学上的新突破。4 广义相对论4.1 狭义相对论的缺陷在1905年以前，物理学中的一切动力学理论，都以牛顿绝对时空理论为基础。虽然爱因斯坦建立的狭义相对论比牛顿绝对时空理论更接近物理现象中的时空规律，但是他发现还有两个问题要解决。第一个是引力问题，狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的，但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传递，即以无穷大的速度传递，这与

18、相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题，狭义相对论与以前的物理学规律一样，都只适用于惯性系。但是事实上，宇宙间并不存在严格的惯性系。自然规律不应该局限于惯性系，而必须考虑非惯性系。4.2 双生子佯谬1905年爱因斯坦创立了相对论，1911年法国著名物理学家郎之万首先提出了与该理论有关的双生子佯谬问题，也即是：有一对双生子P和Q，P一直生活在地球上，Q在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行，最后返回地球。根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，P看Q在运动，Q看P也在相对自己运动，到底谁的钟变慢，谁更年轻呢？这个问题引起了许多物理学家和物理工作者的争论，成为著名的双生子佯谬。对于

19、这个问题，狭义相对论是无法解释的。因为狭义相对论只处理匀速直线运动，而Q要回来必须经过一个变速运动过程，这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论的同时，1907年，爱因斯坦的兴趣转向推广狭义相对论。4.3 广义相对论在狭义相对论问世之前很久，用牛顿的万有引力定律和力学第二定律计算出来的水星近日点的进动数值比观测值每百年大约小43角秒，这表明牛顿万有引力定律不够精确，因而需要修改。如果像修改牛顿力学第二定律那样，仍然把时间和空间看做是平直的，那么无论如何也不能把牛顿万有引力定律修改成满足狭义相对性原理的形式。为此，爱因斯坦借助于弯曲空间的黎几何才得以把牛顿引力定律推广成与狭义相对论相

20、容的新型理论，这就是1916年公布的广义相对论(一种弯曲时空的度规理论)。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角秒。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，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的

21、研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告，确认广义相对论的结论是正确的。会上，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”。爱因斯坦成了新闻人物，他在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。2004年4月20日，美国宇航局发射了引力探测器卫星来验证爱因斯坦的广义相对论，这在全世界也引起了巨大反响。5 结论爱因斯坦对物理学是贡献不仅仅于此，他的贡献遍布

22、相对论、量子论、和统计物理诸多领域，而且在这些领域中的贡献都带有里程碑的性质。所以在以后的生活和学习中，我们应该更全面、更深刻地了解爱因斯坦，从而学习这位世纪伟人的思考方法，端正自己的学习态度，争取为物理学作出贡献。参考文献：1 赵凯华，罗蔚茵量子物理M北京：高等教育出版社，2001：22-232 PASchilpp，Albert EinsteinPhilosopherScientist MNew York：Tuder Company，1949：453 SGoldbergMax Plancks Philosophy of Nature and His Elaboration of the Sp

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24、出版社，2009：718 刘辽，费保俊，张允中狭义相对论M北京：科学出版社，2008（2）：209 THirosigeThe Etter Problem，the Mechanistic Worldview，and Origins of the Theory of Relativity MRMcCormmach ed：Historical Studies in the Physical Science，1976：5410 张瑞琨物理学的进展和前言M上海：上海教育出版社，1998：20-2111 刘辽广义相对论M上海：高等教育出版社，1987：1812 戴剑锋，李维学，王青物理发展与科学进步M北京：化学工业出版社，2005：89-9013 张元仲广义相对论的产生与发展J力学进展，2002，32(4)：49714 爱因斯坦广义相对论基础M上海：上海人民出版社，1973：36-7415 丁衡高，贺晓霞，高钟毓应用惯性技术验证广义相对论M北京：清华大学出版社，2005：1