相对论的故事

相对论分为广义相对论和狭义相对论
广义相对论的基本概念解释： 广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论之后，深入研究引力理论，于1913年提出的引力场的相对论理论。这一理论完全不同于牛顿的引力论，它把引力场归结为物体周围的时空弯曲，把物体受引力作用而运动，归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。因此，广义相对论亦称时空几何动力学，即把引力归结为时空的几何特性。
如何理解广义相对论的时空弯曲呢？这里我们借用一个模型式的比拟来加以说明。假如有两个质量很大的钢球，按牛顿的看法，它们因万有引力相互吸引，将彼此接近。而爱因斯坦的广义相对论则并不认为这两个钢球间存在吸引力。它们之所以相互靠近，是由于没有钢球出现时，周围的时空犹如一张拉平的网，现在两个钢球把这张时空网压弯了，于是两个钢球就沿着弯曲的网滚到一起来了。这就相当于因时空弯曲物体沿短程线的运动。所以，爱因斯坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。 进一步说，这个理论是建立在等效原理及广义协变原理这两个基本假设之上的。等效原理是从物体的惯性质量与引力质量相等这个基本事实出发，认为引力与加速系中的惯性力等效，两者原则上是无法区分的；广义协变原理，可以认为是等效原理的一种数学表示，即认为反映物理规律的一切微分方程应当在所有参考系中保持形式不变，也可以说认为一切参考系是平等的，从而打破了狭义相对论中惯性系的特殊地位，由于参考系选择的任意性而得名为广义相对论。
我们知道，牛顿的万有引力定律认为，一切有质量的物体均相互吸引，这是一种静态的超距作用。 在广义相对论中物质产生引力场的规律由爱因斯坦场方程表示，它所反映的引力作用是动态的，以光速来传递的。
广义相对论是比牛顿引力论更一般的理论，牛顿引力论只是广义相对论的弱场近似。所谓弱场是指物体在引力场中的引力能远小于固有能，力场中，才显示出两者的差别，这时必须应用广义相对论才能正确处理引力问题。
广义相对论在1915年建立后，爱因斯坦就提出了可以从三个方面来检验其正确性，即所谓三大实验验证。这就是光线在太阳附近的偏折，水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移，这些不久即为当时的实验观测所证实。以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验，很快在更高精度上证实了广义相对论。60年代天文学上的一系列新发现：3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论，从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学，已成为物理学中的一个热门前沿。 爱因斯坦一直把广义相对论看作是自己一生中最重要的科学成果，他说过，“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟。但是我认为，广义相对论不一样。”确实，广义相对论比狭义相对论包含了更加深刻的思想，这一全新的引力理论至今仍是一个最美好的引力理论。没有大胆的革新精神和不屈不挠的毅力，没有敏锐的理论直觉能力和坚实的数学基础，是不可能建立起广义相对论的。伟大的科学家汤姆逊曾经把广义相对论称作为人类历史上最伟大的成就之一。
狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，在此不做讨论。 四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种”此消彼长”的关系。 四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。
相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到，时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。 物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无e68a84e799bee5baa6339物质的运动，由于物质是在相互联系，相互作用中运动的，因此，必须在物质的相互关系中描述运动，而不可能孤立的描述运动。也就是说，运动必须有一个参考物，这个参考物就是参考系。
伽利略曾经指出，运动的船与静止的船上的运动不可区分，也就是说，当你在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，那么即使你拥有最发达的头脑，最先进的仪器，也无从感知你的船是匀速运动，还是静止。更无从感知速度的大小，因为没有参考。比如，我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用，作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理。其内容是：惯性系之间完全等价，不可区分。
著名的麦克尔逊--莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参考系无关的结论。也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理，光速不变原理。
由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变幻，与传统的法则相矛盾，但实践证明是正确的，比如一辆火车速度是10m/s，一个人在车上相对车的速度也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s，而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情况下，这种相对论效应完全可以忽略，但在接近光速时，这种效应明显增大，比如，火车速度是0。99倍光速，人的速度也是0。99倍光速，那么地面观测者的结论不是1。98倍光速，而是0。999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢，对他来说也是光速。因此，从这个意义上说，光速是不可超越的，因为无论在那个参考系，光速都是不变的。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明，是无可挑剔的。正因为光的这一独特性质，因此被选为四维时空的唯一标尺。
爱因斯坦的《相对论》发表后，有人炮制了一本《百人驳相对论》，爱因斯坦对此不屑一顾：“如果我的理论是错的，一个人反驳就够了，一百个零加起来还是零。”
（不好意思自己缩吧，谢谢）

1905年，年轻的阿尔伯特·爱因斯坦改变7a686964616fe78988e69d83330了我们思考空间、时间和物质的方式。他认识到，要理解为什么光速在所有参照系中都相同，唯一的方式就是假设时间并不像牛顿所认为的那样是绝对的，而是相对的。在运动系统中时间的流逝是不同的。而且，刚体的长度也不是恒定的而是变化着的，这种现象被称为洛伦兹收缩。此外，爱因斯坦还认识到，物质和能量在本质上是相同的。根据他的着名公式E=mc2，质量可以转变为能量。
爱因斯坦并不认为他的公式会对描述粒子的相互作用有用，可是在适当的时候我们已经看到，爱因斯坦的公式甚至还描述了电子及其反粒子即正电子湮灭成两个光子，或者通过两个光子碰撞而产生一对正负电子。核反应堆中能量的产生也是爱因斯坦公式的直接应用。

1905年，爱因斯坦发表了5篇论文，掀起了一场影响百年的物理革命。至今，爱因斯坦的科学思想仍引导着我们改变世界。他的5篇论文分别是：

《关于光的产生和转化的一个启发性观点》讨论光量子以及光电效应

《分子大小的新测定》推导出计算扩散速度的数学公式

《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》提供了原子确实存在的证明

《论动体的电动力学》提出时空关系新理论，被称为"狭义相对论”

《物体的惯性是否决定其内能》建立在狭义相对论基础上，表明质量和能量可互换，后来推出最着名的科学方程：E=mc2

阿尔伯特.爱因斯坦(1879年至1955年)在1919年与儿子埃德瓦的谈话中说："当一只甲虫在一根弯曲的树枝上爬行的时候，它并没有觉察到这根树枝是弯曲的。我有幸觉察到了甲虫没有觉察到的东西。”这便是爱因斯坦的科学之旅。

一个智力迟钝的小孩26岁发表改变世界的论文

爱因斯坦出生在德国南部小城市乌尔姆，该市的座右铭是"乌尔姆人都是数学家”。市民们对教育十分重视。爱因斯坦却并未被父母和老师看作天才，他3岁才开始说话，上学时回答问题要思考半天，校长甚至对爱因斯坦的父亲说：您的孩子无前途可谈。中年以后，爱因斯坦在给朋友的信中曾写道："为什么是我，而不是他人发现了相对论?我想可能是由于我童年时代是一个智力迟钝的小孩。一般人对时间和空间的认识大都在童年时代完成，而我发育较迟，到了成年才开始考虑时间与空间的问题。成年人思考孩童时的问题当然要更深一些，更成熟一些。”

爱因斯坦对时间与空间这类科学问题的纯真追求贯穿一生。12岁时，他就在担任电气工程师的叔叔等人引导下，阅读古代大数学家欧基理德的几何着作；16岁时，他撰写了第一篇科学论文《关于磁场中以太状态的研究》。爱因斯坦1900年从瑞士的苏黎世高等工程学院毕业，获得了数学教师的资格证书，却没有去教书，他的一些科学论述被认为"不合逻辑”。在瑞士专利局当了小职员后，他仍坚持自己的研究，论文一次次地被退回。直到1905年，德文版的《物理学纪事》(又称《物理学年鉴》)终于发表了爱因斯坦的第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，这一年，爱因斯坦26岁，他在这个权威杂志上连发了5篇"改变世界的论文”。

光.光电效应.激光无限

爱因斯坦1905年6月发表的第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，解释了光的本质，这使他在1921年荣获了诺贝尔物理学奖。在论文中，爱因斯坦将量子概念应用于解释光电效应：当一块带静电的金属受到光线照射时会释放电子。他认为光束是由粒子(后来被称作光子)组成，从而与光只有波动属性的主流观念相矛盾。这篇论文为构成量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。光电效应后来成为众多技术的基础。

爱因斯坦对光的研究一直影响着现代光学的发展，仅以激光技术为例。1917年，爱因斯坦在论文《论辐射的量子性》中，继续探索着光和物质的问题。他认识到如果原子吸收了光，它们可以变为激发态，也就是说跳到更高的能级，它们自然发光返回到较低能级。除了吸收和自发辐射之外，爱因斯坦推断出一定存在第三种作用，那就是光子可以诱导受激原子发出另外一个光子，这两个光子可以激发另外两个原子放出光子，于是产生了四个光子，四个光子又可以产生八个，依此类推。

这种产生相乾光束的把戏，会建立"粒子数反转”，即受激原子多于未受激原子，从而找到使光子发射聚集成强光束的方法。这一设想直到1954年才得以实现，哥伦比亚大学的H.Townes和他的同事们从"爱因斯坦的超前理论”得到启示，发明了激光的前身微波激射器"maser”。

原子.悬浮小粒子.现代统计力学

爱因斯坦1905年7月发表的论文《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》，被认为是第二篇"对世界产生革命性影响”的论文。在论文中，爱因斯坦为"特定大小原子的存在”提供了证明。

在19世纪至20世纪初，原子是否存在是有争议的。爱因斯坦在这篇论文中，创立了支配"布朗运动”的数学定律，推进了"布朗运动”和原子存在的观点。他预测了给定体积的液体中分子的数量和质量，以及这些分子如何快速运动。这种飘忽不定的运动被称作"布朗运动”，以罗伯特.布朗在19世纪初对水中花粉粒不规则的"之”字型运动的观察而命名。爱因斯坦认为，水分子的运动足够剧烈，从而能够推动悬浮的颗粒，使得颗粒的飘舞在显微镜下能够观察得到。该文是对现代统计力学的一项重大贡献，其导出的方法可用于模拟空气污染物的行为或股票市场涨落走势。2003年，利用类似于制造微芯片的技术，美国普林斯顿大学的C.Sturm及其合作者制造了布朗棘轮，它看上去有点像大拇指甲大小的弹球盘机。在几次测试中，Sturm进行了分离实验，他将水和两种不同病毒的DNA混合物通过棘轮，结果很可靠地把较重的病毒基因组与较轻的分离开来。利用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大DNA片段所需用的时间，较之当前所用的方法，可省时2/3，而且更廉价且设备更便携。

相对论.时间空间概念.质量能量转换

爱因斯坦在1905年9月和11月发表的两篇论文《论动体的电动力学》和《物体的惯性是否决定其内能》，被简述为"狭义相对论”，被认为是最具有划时代意义的理论革命。在《论动体的电动力学》中，爱因斯坦提出的一种理解时空关系的新方式；在《物体的惯性是否决定其内能》上，爱因斯坦论述了建立在狭义相对论基础上，质量和能量是可以互换的。

相对性原理的出现要早于爱因斯坦数百年。1632年伽利略就提出：无论观察者的运动状态如何，只要其运动速度不变，所有物理定律都相同。在一艘匀速运动轮船的甲板上观察，石块从桅杆上垂直落下；从静止轮船的甲板上看到的将是同样的情况。对于牛顿在17世纪中期提出的力学定律而言，该相对性原理也成立。但是随着19世纪后期电磁学的出现，这种一致性被打乱了。

爱因斯坦着手处理的是电磁学与物理学其他领域的不调和。作为一位具有深刻审美意识的科学家，他无法容忍相对性原理不能像解释牛顿力学一样去解释电磁学。1905年的这篇关于狭义相对论的文章，通过将相对性原理应用于电磁学，他重新肯定了该原理适合于所有物理学，并且确认光速为一个常数。在解决了相对性悖论的同时，文章还提出一个与人们常规直觉相违背的新的相对性原理，即无论观察者是坐在前廊的摇椅上，还是乘坐以接近光速飞升的未来太空船上，光速对他都保持不变。光速不变原理彻底摧毁了我们的绝对时空观。速度等于距离除以时间。他们的体重将比飞船起飞前增加了。

爱因斯坦奇迹年的第5篇论文作为狭义相对论的补遗，他在文中描述道："物体质量是其内能的一个尺度”。爱因斯坦于1907年将内能概念重新表述为有史以来最着名的科学方程。方程E=mc2同样适用于动能。相对于摇椅中观察者，太空船的速度越快，则其动能和质量也越大，从而使得它越来越难以加速。当飞船速度接近光速时，提升飞行速度所需要能量增量太过巨大，以至于继续加速越来越费劲，这也是为什么超光速火箭飞船只可能出现在科幻小说中的原因之一。

1905年之后，最佳成就才真正出现。作为一项知识成果，爱因斯坦1916年又发表了广义相对论。从证明原子的存在、推出E=mc2公式到原子弹爆炸，爱因斯坦的理论与现实很近很近。1939年8月，爱因斯坦曾致函罗斯福总统，建议美国开展对原子核的研究，担忧德国法西斯可能制造原子弹。随之美国有了研制原子弹的"曼哈顿计划”。但是，爱因斯坦并未参与其中。他的理论被广泛应用各个领域。

相对论的意义