我們全都因他受益,
他的教誨惠及全球,
那本屬于私有之物,
早已傳遍人間,
他正如天際的明星,
無盡的光芒與他永伴。
——歌 德
在世界上所有的科學雜志中,最受收藏家歡迎的單本雜志是1905年第17卷《物理學年鑒》,因為這上面發(fā)表了愛因斯坦的三篇論文:對M.普朗克量子理論進行首次實驗性證實的《關于光的產生和轉化的一個啟發(fā)性觀點》、考察布朗運動的《關于熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》,以及提出時空新理論的《論動體的電動力學》。前者因為“光電效應定律的發(fā)現”而獲得1921年諾貝爾物理學獎;后者建立了狹義相對論,并由此推導出了那個著名的質能方程:E= mc2。
愛因斯坦(1879—1955年),現代物理學的開創(chuàng)者和奠基人。生于德國烏爾姆。1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯邦工業(yè)大學并入瑞士籍。1905年獲蘇黎世大學博士學位。曾在瑞士聯邦專利局工作。1909年任蘇黎世大學理論物理學副教授,1911年任布拉格大學教授。1913年任德國威廉皇家物理研究所所長、柏林大學教授,并當選為普魯士科學院院士。1932年受希特勒迫害離開德國,1933年10月定居美國,到普林斯頓大學任教,直到去世。
愛因斯坦把伽利略力學運動的相對性原理擴展開來,使之包括所有物理定律,又把觀測和實驗得來的光速不變也提升為公理。如果兩者同時成立,不同的慣性系的各個坐標之間必然存在一種確定的數學關系,這就是洛倫茲變換。通過這種變換,他推導出,運動的尺子要縮短,運動的鐘要變慢,任何物體的運動速度都不能超過光速。自然現象在運動學方面顯示出統(tǒng)一性。這就是“狹義相對論”。
1916年,愛因斯坦發(fā)表了《廣義相對論的基礎》,這標志著廣義相對論的誕生。愛因斯坦發(fā)現,現實的有物質存在的空間,不是平坦的歐幾里得空間,而是彎曲的黎曼空間;空間的彎曲程度取決于物質的質量及其分布狀況,空間曲率就體現為引力場的強度。這就否定了牛頓的絕對時空觀。廣義相對論實質上是一種引力理論,它把幾何學與物理學統(tǒng)一起來,用空間結構的幾何性質來表述引力場。愛因斯坦提供了三個可供實驗驗證的推論。第一是水星近日點的運動,這在當時就得到完滿解決。第二,在強引力場中,時鐘要走得慢些,因此從巨大質量的星體表面射到地球上的光的譜線,必定顯得要向光譜的紅端移動。這在1925年得到觀測驗證。第三,光線在引力場中的偏轉。這在第一次世界大戰(zhàn)結束后的對日全食的觀測中得到了驗證。正因為如此,廣義相對論頃刻間聞名于世。
“對不起,牛頓! 愛因斯坦幽默地說。1687年,牛頓出版了《自然哲學的數學原理》,推翻了神學千年的根基,建立了完整而嚴密的經典力學體系。兩個多世紀以后,愛因斯坦建立了相對論。
“為核能開發(fā)奠定了理論基礎,開創(chuàng)了現代科學的新紀元,被公認為是自伽利略、牛頓以來最偉大的科學家、物理學家。”1999年12月26日,愛因斯坦被美國《時代周刊》評為“世紀偉人”。
提及《相對論》,愛因斯坦曾不無自豪地說,世界上可能只有12個人能夠看懂《相對論》,但是世界上卻有幾十億人借此明白沒有什么是絕對的。愛因斯坦一生都不贊成將《相對論》應用于物理學之外,但這是他的意志無能為力的,無論是他健在時還是逝世后,《相對論》都在不斷被引向文學、藝術、哲學、宗教等幾乎所有學科。
目 錄
相對論簡史(代序)?
伯格曼說相對論
愛因斯坦自述
第 1 章?狹義相對論
1.1?幾何命題的物理意義
1.2?坐標系
1.3?經典力學中的空間和時間
1.4?伽利略坐標
1.5?相對性原理(狹義)
1.6?經典力學中的速度相加定理
1.7?光的傳播定律與相對性原理的表面抵觸
1.8?物理學的時間觀
1.9?相對性的同時性
1.10?距離概念的相對性
1.11?洛倫茲變換
1.12?量桿和鐘在運動時的行為
1.13?速度相加法則?斐索實驗
1.14?對相對論啟發(fā)作用的評估
1.15?一般相對論的普通結果
1.16?經驗和狹義相對論
1.17?閔可夫斯基四維空間
第 2 章?廣義相對論
2.1?狹義和廣義相對性原理
2.2?重力場
2.3?慣性質量和引力質量相等是廣義相對性公設的論據
2.4 經典力學和狹義相對論的基礎有哪些不能令人滿意的方面
2.5 對廣義相對性原理的幾個推論
2.6 在旋轉的參考物體上鐘和量桿的行為
2.7 歐幾里得和非歐幾里得連續(xù)區(qū)域
2.8 高斯坐標
2.9 狹義相對論的空間—時間連續(xù)區(qū)可當作歐幾里得連續(xù)區(qū)
2.10?廣義相對論的空間—時間連續(xù)區(qū)不是歐幾里得連續(xù)區(qū)
2.11?廣義相對性原理的精確表述
2.12?以廣義相對性原理為基礎解決地心引力問題
第 3 章?對整個宇宙的思考
3.1?在宇宙論中牛頓理論的困難
3.2?“有限”而“極大”的宇宙的可能
3.3?以廣義相對論為依據的空間結構
3.4?對“以廣義相對論為依據的空間結構”的補充
附 錄
廣義相對論的實驗證實
相對論與空間問題
什么是相對論
理論物理學的基礎
科學與文明
愛因斯坦生平大事年表