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爱因斯坦发表几篇论文

发布时间:2024-07-02 14:30:59

爱因斯坦发表几篇论文

爱因斯坦发表的五篇著名物理学论文涉及从经典物理学向现代物理学转换的三个领域:第一篇和第二篇阐明了分子的本性,解释了悬浮微小粒子统计的“布朗运动”,对于消除当时人们对原子物理实在性的怀疑,以及开启统计热力学与随机过程的普遍理论具有重要意义。第三篇和第四篇致力于扩展与完善麦克斯韦理论,引进了狭义相对论,并且第一次表达了著名的方程E=mc2。第五篇论证了光具有粒子性又具有波动性,并解释了当固体受光照射而发射电子这种先前令人困惑不解的光电效应,深刻地揭示了麦克斯韦场的连续性与粒子分立性之间的矛盾,成为量子论发展进程中的重要里程碑。

1905年爱因斯坦发表了5篇文章,包含了三个重要的物理学方向。PAPER 1:一种测定分子尺寸的新方法A New Determination of Molecular DimensionsPAPER 2:热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动On the Motion of Small Particles Suspended in Liquids at Rest Required by the Molecular-Kinetic Theory of HeatPAPER 3:论动体的电动力学On the Electrodynamics of Moving BodiesPAPER 4:物体的惯性和它所含的能量有关吗?Does the Inertia of a Body Depend on Its Energy Content?PAPER 5:关于光的产生和转化的一个试探性观点On a Heuristic Point of View Concerning the Production and Transformation of Light

爱因斯坦在1905年发表了四篇论文。

分别为:《关于光的产生和转化的一个启发性观点》、《根据分子运动论研究静止液体中悬浮微粒的运动》、《论运动物体的电动力学》、《物体惯性与其所含能量有关吗》,随后导出了E = mc²的公式。

这四篇论文中每一篇都足以获得一次诺贝尔奖,这些成就深远地影响了整个世界,爱因斯坦也由此变得举世闻名。1905年被称为“爱因斯坦奇迹年”。

在狭义相对论被提出10年后,1915年,爱因斯坦又创建了广义相对论学说,并据此推出光在引力场中是沿曲线传播的,在1919年被天文学家证实,轰动科学界。

爱因斯坦在20世纪最重要的两个物理学学术贡献中占了一半,除了相对论之外,量子力学、光电效应都从爱因斯坦开始。

爱因斯坦发表了几篇论文

爱因斯坦在1905年发表了四篇论文。

分别为:《关于光的产生和转化的一个启发性观点》、《根据分子运动论研究静止液体中悬浮微粒的运动》、《论运动物体的电动力学》、《物体惯性与其所含能量有关吗》,随后导出了E = mc²的公式。

这四篇论文中每一篇都足以获得一次诺贝尔奖,这些成就深远地影响了整个世界,爱因斯坦也由此变得举世闻名。1905年被称为“爱因斯坦奇迹年”。

在狭义相对论被提出10年后,1915年,爱因斯坦又创建了广义相对论学说,并据此推出光在引力场中是沿曲线传播的,在1919年被天文学家证实,轰动科学界。

爱因斯坦在20世纪最重要的两个物理学学术贡献中占了一半,除了相对论之外,量子力学、光电效应都从爱因斯坦开始。

1、相对论和爱因斯坦质能方程

爱因斯坦在论文《论运动物体的电动力学》里提出了狭义相对论的两个基本公设:“光速不变”,以及“相对性原理”,按照这两个基本公设对于经典力学在运动速度接近光速时做出一些重要修正,从而化解了麦克斯韦方程组与经典力学定律之间的矛盾。经过整理之后,这些创举成为爱因斯坦的狭义相对论。

承认时空的相对性与光速的不变性导致了几个必然的推论。一是运动物体在其运动方向会表现出长度收缩。二是运动物体会经历时间膨胀。也就是说,一个运动中的钟表要比静止的同样钟表走得慢。三是以太的概念其实是多余无用的。

爱因斯坦在表述质能等价的论文里,从狭义相对论的方程里推导出质能方程E = mc2。这意味着能量和质量其实是一回事,可以相互转换。对于任何物体来说,其质量会随着其速度的增加而增加。

爱因斯坦的相对论曾经有很多年备受争议,他获得1921年诺贝尔物理学奖并不是因为表扬他在相对论做出重大贡献。普朗克是最热烈支持相对论的物理学者之一。

2、光子与能量量子

在论文《关于光的产生和转变的一个启发性观点》里,爱因斯坦提出光量子假说,即光是由离散的能量量子组成,这能量量子称为光量子,后来被简称为光子。最初,光量子假说遭到物理学者强烈质疑,其中包括马克斯·普朗克以及尼尔斯·玻尔。

后来,罗伯特·密立根做实验证实了光电效应的方程,阿瑟·康普顿做康普顿散射实验展示在某种情况下光会表现出粒子性。直到1919年,光量子假说才被广为接受。

爱因斯坦得到了一个结论,频率为f的光束是由能量为hf的光量子所组成;其中,h为普朗克常数。爱因斯坦并没有对这结论给出很多解释,实际而言,他并不确定光量子与光波之间的关系。但是,他的确建议这点子能够解释某些实验结果,尤其是光电效应。

3、量子化原子振动

在1906年论文《普朗克的辐射理论和比热容理论》里,爱因斯坦提出一种新的描述物质的物理模型,称为爱因斯坦模型。在这模型里,位于晶格结构里的每一个原子都被视为一个独立的量子谐振子,它们各自以相同频率像弹簧一样做简谐振动,因此具有离散的能级。

杜隆-珀蒂定律预言比热容为常数,在高温极限时,这模型给出相同的理论结果;而当温度趋于零时,这模型预言比热容也趋于零,与实验结果相符合。这是20世纪初期第三个被发现的重要量子理论。

爱因斯坦模型预言比热容以温度的指数函数趋于零,这是因为它假设所有谐振子的振动频率相同。彼得·德拜对于这假设给予修正,在他研究出的德拜模型里,振动频率不一样,因此比热容以温度的立方函数趋于零。

4、波粒二象性

在爱因斯坦的光量子假说中,光量子只是表现出能量的不连续性,它尚未被赋予粒子应具有的性质,所以不能被严格视为粒子。1909年,在爱因斯坦发表的两篇论文《论辐射问题的现状》与《论我们关于辐射的本性和组成的观点的发展》里,爱因斯坦阐明,光量子具有良好定义的动量,并且在某些方面表现出类点粒子的物理行为。

这两篇论文引入了光子的概念(吉尔伯特·路易斯于1926年给出术语光子的命名),启发了量子力学的波粒二象性观念。他又表示,理论物理下一个阶段将会发展出一种能够将光的波动论与光的粒子论融合在一起的理论。在这里,“融合”意味着波粒二象性,或更加延伸,尼尔斯·玻尔后来提出的互补原理。

5、临界乳光理论

在临界点附近,照射于介质的光束会被介质强烈散射,这现象称为临界乳光。波兰物理学者马里安·斯茅鲁樵斯基于1908年首先表明,临界乳光的机制为介质密度涨落,他并没有给出相关的方程。

两年后,爱因斯坦应用统计力学严格论述介质的分子结构所形成的密度涨落,从而推导出相关的方程,并且用这方程给出另一种计算阿伏伽德罗常数的方法,更有意思的是,这临界乳光的机制可以解释天空呈蓝色的现象。

按照瑞利散射理论,瑞利散射光的辐照度和入射光波长的四次方成反比。应用瑞利散射来解释天空的蓝色现象,波长较短的蓝光比波长较长的红光更易产生瑞利散射。因此,天空的颜色是蓝色的。瑞利散射方程能够准确地描述光束对于气体的瑞利散射行为,但对于液体并不适用。

爱因斯坦的临界乳光理论更一般地适用于液体与气体;瑞利散射只是临界乳光问题的一个特别案例。后来,布鲁诺·齐姆分析粒子在气体与液体里的随机性,将瑞利散射理论加以延伸来描述光在液体里的散射行为。

6、零点能

零点能指的是量子系统处于基态时所拥有的能量,量子系统所拥有能量不能低于零点能。普朗克于1911年至1913年之间重新表述他的1900年量子理论时提出了零点能的概念。

爱因斯坦和助手奥托·施特恩对于这点子极感兴趣。他们研究出一种方法,能够证实零点能的存在。他们假设双原子分子的旋转能含有零点能,并且所有双原子分子以同样角速度旋转,然后计算出双原子分子气体的比热容。

7、广义相对论

爱因斯坦在1907-1915年间创建的广义相对论是一种引力理论。根据广义相对论,在质量与质量之间观测到的引力是源自于这些质量所造成的时空弯曲。在现代天文物理学里,广义相对论是重要工具。

在接受1921年诺贝尔物理奖的演讲时,爱因斯坦表示狭义相对论对于惯性运动的偏好并不令人满意,而从最开始就不偏好任何运动状态(不论是匀速运动或加速度运动)的理论,应该会显得更令人满意,因此他才会尝试发展广义相对论。

他在1907年论文《关于相对性原理和由此得出的结论》里指出,自由下落实际是一种惯性运动,对于自由下落的观察者而言,狭义相对论的规则应该适用。爱因斯坦并没有对这后来被称为等效原理的论题给出详尽分析。

另外,他还初步预言重力红移,即射入引力势阱中的光会发生蓝移,而相反从引力势阱中射出的光会发生红移;又粗略预言光线在重力场中的偏折,即光子的路径在引力场中会发生偏折。这些预言后来纷纷得到了实验验证。

爱因斯坦将1907年论文加以扩充,于1911年写成论文《论重力对光的传播的影响》;在这篇论文里,他对光线在重力场中的偏折重新加以详细分析,得到可以严格测试的结果,即光线经过太阳产生的引力场时被偏折的角度。这预言可以做实验严格检试,因此他呼吁实验者的关注,尽快完成这实验。

8、引力波

引力波是时空曲率的涟漪以波动的形式从波源向外传播,同时会有能量向外传输。1916年,爱因斯坦了预测引力波的存在,根据广义相对论,洛伦兹不变性使得引力波的存在成为可能,由于引力相互作用必须以有限速度传播于空间。牛顿万有引力定律无法预言这种结果,因其假定引力相互作用是以无穷高速度传播于空间。

普林斯顿大学物理学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒于1974年发现发现首个脉冲双星系统PSR B1913+16,通过对其深入研究,首次发现引力波存在的间接定量证据。2016年2月11日,爱因斯坦论文一世纪之后,LIGO团队宣布,已直接探测到引力波,其源头来自于双黑洞融合机制。

9、宇宙学

全新装备了功能超强的广义相对论,爱因斯坦已准备好在梦寐以求的宇宙学领域大展身手。1917年,他应用广义相对论来建模整个宇宙结构。从那时的实验观测推论,他认为宇宙的范围是有限,并且不具有任何边界,因为宇宙质量会使时空弯曲回自己,就如同圆球的表面,具有有限的面积,不具有任何边界。

这种宇宙称为静态宇宙。但是,根据爱因斯坦场方程,静态宇宙不可能存在,宇宙只能扩张或收缩。为了使宇宙保持静态,爱因斯坦在他的方程中加入了一个宇宙常数项,然后让宇宙常数项与宇宙质量项相互抵销,这样,宇宙常数可以抗拒引力的效应,从而实现静态宇宙。

然而,爱德文·哈勃于1929年确定宇宙呈膨胀状态。爱因斯坦只好放弃宇宙常数,他认为在引力方程中引入该常数是他“一生中最大的错误”。

后来,人们发现宇宙加速膨胀,这现象的最简单说法是宇宙常数不为零,而是一个很小的数值。爱因斯坦的直觉最终可能还是正确的。

10、玻色-爱因斯坦统计

印度物理学者萨特延德拉·玻色在1923年完成论文《普朗克定律与光量子假说》,并且将这篇论文寄给英国《哲学杂志》,但是遭到拒绝发表。玻色丝毫不因此气馁,隔年他又将该论文转寄给爱因斯坦,寻求爱因斯坦的意见。

在这篇论文里,玻色提出一种新的统计模型,按照这模型,光束可以被视为由一群无法分辨的粒子所组成气体,因此在做统计运算时,所有相同能量的光子应该合并处理。爱因斯坦注意到玻色的统计模型不仅适用于光子,还适用于很多其它种粒子,这些粒子后来被称为玻色子。爱因斯坦把玻色的论文翻译成德文后发表于德国的《物理期刊》(Zeitschrift für Physik)。

爱因斯坦将玻色的理论推广至带质量的粒子,于1924年发表论文《单原子理想气体的量子理论》,隔年,又发表论文预言,玻色子冷却至非常低温时,会凝聚到其能量最低的量子态,因此会出现一种新的物态,称为玻色-爱因斯坦凝聚态。

1995年,科罗拉多大学波德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用铷原子气体在170 nK(1.7×10−7 K)的低温下首次观测到了玻色-爱因斯坦凝聚。四个月后,麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒使用钠原子气体独立实现了玻色-爱因斯坦凝聚。

11、奇迹年论文

爱因斯坦于1905年在《物理年鉴》发表了四篇划时代的论文。从来没有人能在这么短暂的时间内对于现代物理给出这么多重大贡献。这一年因此被称为“爱因斯坦奇迹年”。这四篇论文分别为:《关于光的产生和转变的一个启发性观点》、《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动》、《论运动物体的电动力学》、《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》

扩展资料:

阿道夫·希特勒于1933年开始掌权成为德国总理之时,爱因斯坦正在走访美国。由于爱因斯坦是犹太裔人,所以尽管身为普鲁士科学院教授,他并没有返回德国。1940年,他定居美国,随后成为美国公民。

在第二次世界大战前夕,他在一封写给当时美国总统富兰克林·罗斯福的信里署名,信内提到德国可能发展出一种新式且深具威力的炸弹,因此建议美国也尽早进行相关研究,美国因此开启了曼哈顿计划。爱因斯坦支持增强同盟国的武力,但谴责将当时新发现的核裂变用于武器用途的想法,后来爱因斯坦与英国哲学家伯特兰·罗素共同签署《罗素—爱因斯坦宣言》,强调核武器的危险性。

爱因斯坦一生总共发表了300多篇科学论文和150篇非科学作品。爱因斯坦被誉为是“现代物理学之父”及20世纪世界最重要科学家之一。他卓越和原创性的科学成就使得“爱因斯坦”一词成为“天才”的同义词。

爱因斯坦发表过几篇论文

在100年前的1905年,26岁的爱因斯坦写出了5篇改变世界的物理论文,他的《分子体积的新测定》证明了分子的存在,《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》论证了微粒的运动规则,《论动体的电动力学》创立了狭义相对论,《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》推导出了“E=mc2”公式,《关于光的产生和转化的一个试探性观点》发现了光电效应规律。2005年既是爱因斯坦发表5篇论文100周年,也是他逝世50周年。1月19日,德国总理施罗德在柏林宣布,2005年为德国的“爱因斯坦年”。纪念相对论诞生100周年,纪念爱因斯坦逝世50周年。

爱因斯坦在1905年发表了四篇论文。这四篇论文中每一篇都足以获得一次诺贝尔奖,这些成就深远地影响了整个世界,爱因斯坦也由此变得举世闻名。在第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》里,爱因斯坦通过量子理论解释了光电效应,并最终证明了能量子以及光子(即光的粒子)的存在。

另外一个是布朗运动,还有一篇是关于原子大小的测定,我们从这些成果可以看出,爱因斯坦在20世纪最重要的两个物理学学术贡献中占了一半,除了相对论之外,量子力学、光电效应都从爱因斯坦开始。

在该年度发表的论文中,爱因斯坦深信原子真实存在,直到那时,原子对科学界来说还更多的是一个对方程有用的数学工具,而不是物理实体。假设热水是由很多不稳定的水分子组成的,水是热的,这些分子不稳定,到处移动,无规则地撞击花粉;爱因斯坦推论花粉的运动是碰撞的结果。爱因斯坦遇到的最大问题是需要结合热力学和经典力学来阐述他的观点,后者描述物体的运动,前者却研究大系统。

爱因斯坦在1905年发表了四篇论文。

1905年,爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例奇迹。这一年他写了六篇论文,在三月到九月这半年中,利用在专利局每天八小时工作以外的业余时间,在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献,他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论这四篇重要论文。

1921年演讲中的爱因斯坦。

这时间完全长于现今的通用时间,欧洲攻读博士学位的五年时间很长,尽管这在当时并不罕见但如今平均时间却为三年。

爱因斯坦于1902年开始在瑞士专利局工作,您会注意到这年他刚刚获得博士学位。 他之所以这样做,是因为他找不到让满意的教学岗位,所以他需要另一个收入来源来维持生计。

爱因斯坦几岁发表论文

估计大部分的人都认识爱因斯坦,不认识的不用怕,看看他的简历,了解一下吧。下面是我为你整理的爱因斯坦的个人简介,希望对你有用!

阿尔伯特·爱因斯坦简介

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert.Einstein,1879年3月14日-1955年4月18日),犹太裔物理学家。

爱因斯坦1879年出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭(父母均为犹太人),1900年 毕业 于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。1905年,获苏黎世大学哲学博士学位,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖,创立狭义相对论。1915年创立广义相对论。

爱因斯坦为核能开发奠定了理论基础,开创了现代科学技术新纪元,被公认为是继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家。1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

阿尔伯特·爱因斯坦人物经历

读书时期

1888年(9岁),爱因斯坦入路易波尔德高级中学学习。在学校受宗教 教育 ,接受受戒仪式,弗里德曼是指导老师。

1889年(10岁),在医科大学生塔尔梅引导下,读通俗科学读物和哲学著作。

1891年(12岁),自学欧几里德几何,感到狂热的喜爱,同时开始自学高等数学。

1892年(13岁),开始读康德的著作。

1894年(15岁),爱因斯坦一家人移居意大利。

1895年(16岁),自学完微积分。同年,爱因斯坦在瑞士理工学院的入学考试失败。爱因斯坦开始思考当一个人以光速运动时会看到什么现象。对经典理论的内在矛盾产生困惑。

1896年(17岁),获阿劳中学毕业证书。10月29日,爱因斯坦迁居苏黎世并在瑞士理工学院就读。

1899年10月19日(20岁),爱因斯坦正式申请瑞士公民权。

1900年8月(21岁),爱因斯坦毕业于苏黎世联邦工业大学;12月完成论文《由毛细管现象得到的推论》,次年发表在莱比锡《物理学杂志》上并入瑞士籍。

1901年3月21日(22岁),取得瑞士国籍。在这一年5-7月完成电势差的热力学理论的论文。

毕业以后

1902年6月16日(23岁),被瑞士伯尔尼专利局雇佣。

1903年(24岁),他与大学同学米列娃·玛丽克结婚。他们结婚前就已经有了第一个孩子。

1904年(25岁)9月,由专利局的试用人员转为正式三级技术员。

1905年(26岁)3月,发表量子论,提出光量子假说,解决了光电效应问题。4月向苏黎世大学提出论文《分子大小的新测定法》,取得博士学位。5月完成论文《论动体的电动力学》,独立而完整地提出狭义相对性原理,开创物理学的新纪元。这一年因此被称为“爱因斯坦奇迹年”。

1906年(27岁)4月,晋升为专利局二级技术员。11月完成固体比热的论文,这是关于固体的量子论的第一篇论文。

1907年(28岁)升职为专利局一级技术员。

1908年(29岁)10月,兼任伯尔尼大学编外讲师。

1909年(30岁)10月,离开伯尔尼专利局,任理论物理学副教授。

1910年(31岁)10月,完成关于临界乳光的论文。

1911年(32岁),从瑞士迁居到布拉格。

1912年(33岁),提出“光化当量”定律。

1913年(34岁),重返德国,任柏林威廉皇帝物理研究所长和柏林洪堡大学教授,并当选为普鲁士科学院院士。

阿尔伯特·爱因斯坦主要成就

相对论

狭义相对论的创立:

早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪的笛卡尔和其后的克里斯蒂安·惠更斯首创并发展了以太学说,认为以太就是光波传播的媒介,它充满了包括真空在内的全部空间,并能渗透到物质中。与以太说不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,19世纪,却是波动说占了绝对优势。以太的学说也大大发展:波的传播需要媒质,光在真空中传播的媒质就是以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上证明光就是一定频率范围内的电磁波,从而统一了光的波动理论与电磁理论。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太,相反,迈克耳逊莫雷实验却发现以太不太可能存在。

电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却发现,与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量;然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同。例如,两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。根据伽利略理论,向你驶来的车将发出速度大于c(真空光速3.0x10^8m/s)的光,即前车的光的速度=光速+车速;而驶离车的光速小于c,即后车光的速度=光速-车速。但按照这两种光的速度相同,因为在麦克斯韦的理论中,车的速度有无并不影响光的传播,说白了不管车子怎样,光速等于c。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖!

爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。

爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。在“奥林匹亚科学院”时期大卫·休谟(David Hume)对因果律的普遍有效性产生的怀疑,对爱因斯坦产生了影响。相对性原理已经在力学中被广泛证明,却在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。

1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇 文章 ,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。

对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。

什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何测出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是无意义的。

光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速非无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。

相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。

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。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc^2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。

广义相对论的建立:

1905年,爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后(即《论动体的电动力学》),并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章,认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推动,相对论很快成为人们研究和讨论的课题,爱因斯坦也受到了学术界的注意。

1907年,爱因斯坦听从友人的建议,提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位,但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气,但在瑞士,他却得不到一个大学的教职,许多有名望的人开始为他鸣不平,1908年,爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位,并在第二年当上了副教授。1912年,爱因斯坦当上了教授,1913年,应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。

在此期间,爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广,对于他来说,有两个问题使他不安。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。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬,该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥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时,爱因斯坦正在继续完成广义相对论。

1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》,在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理,此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法:在一封闭箱中的观察者,不管用什么 方法 也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中,这是解释等效原理最常用的说法,而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。

1915年11月,爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文,在这四篇论文中,他提出了新的看法,证明了水星近日点的进动,并给出了正确的引力场方程。至此,广义相对论的基本问题都解决了,广义相对论诞生了。1916年,爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》,在这篇文章中,爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论,将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理,并进一步表述了广义相对性原理:物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。

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。

相对论的意义:

狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。

狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式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。

对于爱因斯坦引入的这些全新的概念,当时地球上大部分物理学家,其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹,都觉得难以接受。甚至有人说“当时全世界只有两个半人懂相对论”。旧的思想方法的障碍,使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉,就连瑞典皇家科学院,1922年把诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦时,也只是说“由于他对理论物理学的贡献,更由于他发现了光电效应的定律。”对爱因斯坦的诺贝尔物理学奖颁奖辞中竟然对于爱因斯坦的相对论只字未提。(注:相对论没有获诺贝尔奖,一个重要原因就是还缺乏大量事实验证。)

光电效应

1905年,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖。

光照射到金属上,引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric effect)。

光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应,爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应(金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子)。光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。

光电效应里,电子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直于金属表面射出,与光照方向无关,光是电磁波,但是光是高频震荡的正交电磁场,振幅很小,不会对电子射出方向产生影响。

能量守恒

E=mc²,物质不灭定律,说的是物质的质量不灭;能量守恒定律,说的是物质的能量守恒。

虽然这两条伟大的定律相继被人们发现了,但是人们以为这是两个风马牛不相关的定律,各自说明了不同的自然规律。甚至有人以为,物质不灭定律是一条化学定律,能量守恒定律是一条物理定律,它们分属于不同的科学范畴。

爱因斯坦认为,物质的质量是惯性的量度,能量是运动的量度;能量与质量并不是彼此孤立的,而是互相联系的,不可分割的。物体质量的改变,会使能量发生相应的改变;而物体能量的改变,也会使质量发生相应的改变。

在狭义相对论中,爱因斯坦提出了著名的质能公式:E=mc^2(这里的E代表能量,m代表多少质量,c代表光的速度,近似值为3×10^8m/s,这说明能量可以用减少质量的方法创造)。

爱因斯坦的质能关系公式,正确地解释了各种原子核反应:就拿氦4(He4)来说,它的原子核是由2个质子和2个中子组成的。照理,氦4原子核的质量就等于2个质子和2个中子质量之和。实际上,这样的算术并不成立,氦核的质量比2个质子、2个中子质量之和少了0.0302u(原子质量单位)!这是为什么呢?因为当2个氘[dao]核(每个氘核都含有1个质子、1个中子)聚合成1个氦4原子核时,释放出大量的原子能。生成1克氦4原子时,大约放出2.7×10^12焦耳的原子能。正因为这样,氦4原子核的质量减少了。

这个例子生动地说明:在2个氘原子核聚合成1个氦4原子核时,似乎质量并不守恒,也就是氦4原子核的质量并不等于2个氘核质量之和。然而,用质能关系公式计算,氦4原子核失去的质量,恰巧等于因反应时释放出原子能而减少的质量。

爱因斯坦从更新的高度,阐明了物质不灭定律和能量守恒定律的实质,指出了两条定律之间的密切关系,使人类对大自然的认识又深了一步。

宇宙常数

爱因斯坦在提出相对论的时候,曾将宇宙常数(为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在,他在引力场方程中引进一个与度规张量成比例的项,用符号Λ表示。该比例常数很小,在银河系尺度范围可忽略不计。只在宇宙尺度下,Λ才可能有意义,所以叫作宇宙常数。即所谓的反引力的固定数值)代入他的方程。他认为,有一种反引力,能与引力平衡,促使宇宙有限而静态。当哈勃将膨胀宇宙的天文观测结果展示给爱因斯坦看时,爱因斯坦说:“这是我一生所犯下的最大错误。”

宇宙是膨胀着的。哈勃等认为,反引力是不存在的,由于星系间的引力,促使膨胀速度越来越慢。星系间有一种扭旋的力,促使宇宙不断膨胀,即暗能量。70亿年前,它们“战胜”了暗物质,成为宇宙的主宰。最新研究表明,按质量成份(只算实质量,不算虚物质)计算,暗物质和暗能量约占宇宙96%。看来,宇宙将不断加速膨胀,直至解体死亡。(也有 其它 说法,争议不休)。宇宙常数虽存在,但反引力的值远超过引力。林德饶有风趣的说:“我终于明白,为什么他(爱因斯坦)这么喜欢这个理论,多年后依然研究宇宙常数,宇宙常数依然是当今物理学最大的疑问之一。”

爱因斯坦小时候真的很笨,生下来的时候不会说话,不会吃饭,不会走路。好几岁的时候连汉字“一”都认不到,更不要说“二”了。

其实爱因斯坦没有那么笨,只是小时候贪玩调皮,不爱学习,其实他还是特别聪明的,不然怎会有那么高的智商。

发表狭义相对论时是26岁,提出广义相对论是33岁,完整发表36岁。

爱因斯坦发表4篇论文

爱因斯坦在1905年发表了四篇论文。这四篇论文中每一篇都足以获得一次诺贝尔奖,这些成就深远地影响了整个世界,爱因斯坦也由此变得举世闻名。在第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》里,爱因斯坦通过量子理论解释了光电效应,并最终证明了能量子以及光子(即光的粒子)的存在。

另外一个是布朗运动,还有一篇是关于原子大小的测定,我们从这些成果可以看出,爱因斯坦在20世纪最重要的两个物理学学术贡献中占了一半,除了相对论之外,量子力学、光电效应都从爱因斯坦开始。

在该年度发表的论文中,爱因斯坦深信原子真实存在,直到那时,原子对科学界来说还更多的是一个对方程有用的数学工具,而不是物理实体。假设热水是由很多不稳定的水分子组成的,水是热的,这些分子不稳定,到处移动,无规则地撞击花粉;爱因斯坦推论花粉的运动是碰撞的结果。爱因斯坦遇到的最大问题是需要结合热力学和经典力学来阐述他的观点,后者描述物体的运动,前者却研究大系统。

爱因斯坦在1905年发表了四篇论文。

分别为:《关于光的产生和转化的一个启发性观点》、《根据分子运动论研究静止液体中悬浮微粒的运动》、《论运动物体的电动力学》、《物体惯性与其所含能量有关吗》,随后导出了E = mc²的公式。

这四篇论文中每一篇都足以获得一次诺贝尔奖,这些成就深远地影响了整个世界,爱因斯坦也由此变得举世闻名。1905年被称为“爱因斯坦奇迹年”。

在狭义相对论被提出10年后,1915年,爱因斯坦又创建了广义相对论学说,并据此推出光在引力场中是沿曲线传播的,在1919年被天文学家证实,轰动科学界。

爱因斯坦在20世纪最重要的两个物理学学术贡献中占了一半,除了相对论之外,量子力学、光电效应都从爱因斯坦开始。

爱因斯坦在1905年发表了6篇划时代的论文,分别为:1.《关于光的产生和转化的一个试探性观点》2.《分子大小的新测定方法》3.《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》4.《论动体的电动力学》5.《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》6.《布朗运动的一些检视》1905年被称为“爱因斯坦奇迹年”。100年后的2005年因此被定为“2005 世界物理年”。1905年3月,德国《物理年鉴》发表《关于光的产生和转化的一个试探性观点》(Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt),认为光是由分离的粒子所组成。爱因斯坦解释光也是由小的能量粒子(光量子)组成的,并且量子可以像单个的粒子那样运动。“光量子”理论把1900年普朗克创立的量子论大大推进一步,揭示了微观世界的基本特征:波动—粒子二元性。 1905年5月11日,德国《物理年鉴》发表一篇用布朗运动解释微小颗粒随机游走的现象的论文《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》(Die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen)。这篇论文是对布朗运动这种平移扩散的开创性研究。 1905年6月30日,德国《物理年鉴》发表《论动体的电动力学》(Elektrodynamik bewegter Körper)一文。首次提出了狭义相对论基本原理,论文中提出了两个基本公理:“光速不变”,以及“相对性原理”。 1905年9月27日,德国《物理年鉴》刊出《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》(Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?),认为“物体的质量可以度量其能量”,随后导出了E = mc²的公式。

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