爱因斯坦的巨大贡献.doc

1、爱因斯坦的巨大贡献姓名：张剑 学号：080602147专业：网络工程班级：08 网络工程 1班爱因斯坦（18791955） ，美籍德国犹太人。他创立了代表现代科学的相对论，并为核能开发奠定了理论基础，在现代科学技术和它的深刻影响及广泛应用方面开创了现代科学新纪元，被公认为自伽利略、牛顿以来最伟大的科学家、思想家。1921 年诺贝尔物理学奖获得者。现代物理学的开创者和奠基人，相对论“质能关系”的提出者， “决定论量子力学诠释”的捍卫者（振动的粒子）不掷骰子的上帝。 1999 年 12 月 26 日，爱因斯坦被美国时代周刊评选为“世纪伟人”。建立相对论是爱因斯坦一生最伟大的成就，1900 年前后，

2、在人们头脑中“以太”观念占统治地位，大家都认为光波( 电磁波) 是以太的弹性振动 ,麦克斯韦(J. CMaxwell)就是从以太的弹性理论导出他的著名的电磁方程组的。一个需要弄清的问题是,地球相对于以太是否运动? 那时候哥白尼的日心说和牛顿的绝对时空观都已被普遍接受。地球不是宇宙的中心,不应该相对于绝对空间静止。比较合理的想法是:以太相对于绝对空间静止,地球相对于以太(即相对于绝对空间)运动。天文学的光行差现象(1728, 1810)支持这一观点。 但是,精密的迈克尔逊(A. Michelson, 1881,1887)实验却没有测到这一运动。另外,法国人斐索(A. H. Fizeau, 185

3、1)的流水实验表明: 运动介质似乎会部分地带动以太,但又不全带动,即地球相对于以太似乎有一定程度的运动。斐索实验也与光行差现象矛盾。当时物理界的大多数人注意的是迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾,而爱因斯坦主要注意的是斐索实验与光行差现象的矛盾。总之,大家都觉得以太理论出现了矛盾。洛伦兹(H. A. Lorentz, 1892)和斐兹杰惹(GFFitzgerad, 1889, 1893)各自独立地注意到,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)=01-22则迈克尔逊实验将测不出地球相对以太的运动速度(他们认为这一速度“实际是存在的”, 只是测不

4、出而已) ,这样,迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾就可以消除。 式中 v 是刚尺相对以太的运动速度, c 是光速, 0l是刚尺静止时的长度, l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：=x vt (3)(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 1904 年给出了一个新的惯性系之间的变换关系：= ， =y ， =z ， = 122 (2)122(4)此关系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,此外, 在一些特殊的情况下,质量公式： m= 0122(5)和质能关系式

5、： 2mcE (6)均已有人给出。但是,首先正确阐述相对论,认识到它是一个时空理论,并给出完整理论体系和上述全部结论的是爱因斯坦,而不是别人。 这是因为,只有爱因斯坦在两个基本观念 (“相对性原理”和“光速的绝对性”)上同时实现了突破。 “光速不变原理”不仅是说真空中的光速均匀各向同性,是一个常数 c,更重要的是说在任何惯性系中测量,真空中的光速都是同一个常数 c。 按照人们的日常观念,如果相对于光源静止的观测者测得的光速是 c,那么以速度v 向着光源运动的观测者测到的光速将是(c + v) 。 而以速度 v 背离光源运动的观测者测到的光速将是(c - v) 。爱因斯坦提出的“光速不变原理”则

6、是说,上述 3 个观测者测得的光速都是同一值 c。也就是说,在爱因斯坦看来,光速是绝对的,对任何观测者都一样,与光源相对于观测者的运动无关 。 爱因斯坦能够从纷乱的理论探讨和实验资料中,认识到应该把光速看作绝对的,并毅然提出这一全新的观念,是极其难能可贵的。爱因斯坦以“相对性原理”和“光速的绝对性”(“光速不变原理”) 为基石,建立起狭义相对论的理论体系,并得到大量重要的让人难以理解的结论。 其中,他指出“同时”不是一个绝对的概念,而是一个相对的概念,也是观念上的重要突破。 在此之前,人们早已认识到两个事件是否发生在同一地点,对不同观测者会有不同的结论,即“同地”是一个相对的概念。但两个事件是

7、否同时发生,则都认为是一个绝对的概念,即任何观测者都会有相同的结论。 爱因斯坦突破了这一观念,指出“同时”也是相对的,只不过我们通常接触到的参考系,运动速度较小,“同时的相对性”不明显。 当运动速度接近光速时,“同时的相对性”将明显地表现出来。 在认识到“同时的相对性”之后,“动钟变慢 ”、 “动尺缩短( 洛伦兹收缩) ”等效应就会变得比较容易理解。爱因斯坦提出相对论的划时代论文,充满了难懂的革命性的新思想, 而只用了当时大学本科生就能看懂的数学工具,并且没有引用任何参考文献。如果放在今天,这样的文章恐怕很难通过审稿。一般的审稿人不是看不懂其中的物理内容,就是会轻视作者的数学水平,或者因作者不

8、引文献而误认为文章的内容跟不上世界潮流,显得没有水平。爱因斯坦很幸运,这篇文章被送给水平高、思想活跃而又不压制年轻人的普朗克审稿,一下就被推荐发表在德国的物理年鉴上。 此后,他又连续发表几篇论文,建立起狭义相对论的全部框架。相对论(狭义相对论)发表之后,爱因斯坦很快认识到自己的理论有两个严重因难。 牛顿把惯性系定义为相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系,相对论不承认有绝对空间,这就给惯性系的定义造成了困难。 整个相对论建立在惯性系的基础上,惯性系却无法定义,理论的基石出现了问题。 此外,虽然电磁理论与相对论相容 ,万有引力却纳不进相对论的框架。 当时只知道这两种力,其中一种力的理论就与相

9、对论有矛盾,此困难之严重可想而知。 不过,当时只有爱因斯坦一个人认识到了上述困难,其余人都在忙着理解相对论本身。爱因斯坦单枪匹马地展开了对这两个困难的研究。 几年之后他就认识到不应就事论事,而应该独辟蹊径。 在几经考虑之后,他决定不去勉强定义惯性系,而是暂时躲开这一因难,他决定取消惯性系在物理理论中的特殊地位,把相对性原理(物理规律在所有惯性系中都相同) 推广为“广义相对性原理”,物理规律在所有参考系(包括惯性系和非惯性系) 中都相同。 这样,就可以不必定义惯性系,也就躲开了这一困难。 但是,非惯性系中有惯性力,如何处理惯性力呢? 他很快从马赫对水桶实验的讨论得到启发,认识到引力与惯性力可能有

10、相同的起源(马赫原理)。 在用牛顿理论对伽利略的自由落体实验进行分析之后 ,他悟出了等效原理( 引力场与惯性场局域不可区分)。 最重大的突破在于他猜出了万有引力不是真正的力,而是一种几何效应。 把物理规律的本质看作几何,这是任何其他人完全想不到的事情。他猜测物质的存在会引起时空的弯曲,万有引力正是时空弯曲的表现。 他基本上独自一个人完成了新理论的构建。 他把新理论看作相对论的推广,命名为广义相对论,此后就把原来洛伦兹命名的那部分相对论称为狭义相对论 。认识到万有引力是几何效应,认识到物质的存在会影响时空的几何,会使时空弯曲,而弯曲的时空又会反过来影响物质的运动,是人类认识史上的一次大飞跃。 在

11、广义相对论看来,由于万有引力不是真正的力,地球上的自由落体运动和太空中的行星绕日运动都是惯性运动,它们在时空中描出的轨迹,是直线在弯曲时空中的推广短程线。不过,需要说明,由于四维时空中的几何实际上是伪欧几里得或伪黎曼的,作惯性运动的自由质点描出的“短程线”,不是两点间的最短线,而是最长线。 当时空恢复平直时,“短程线”就成为通常的直线。严格而美妙的数学物理体系,高深难懂的黎曼几何和张量分析,精密神奇的实验验证,再加上爱因斯坦发表狭义相对论和光子说的巨大影响,使广义相对论一下就得到了科学界的承认。 爱因斯坦的威望也达到了一生中的顶峰。实际上广义相对论的建立比狭义相对论要漫长得多。 最初,爱因斯坦

12、企图把万有引力纳入狭义相对论的框架,几经失败使他认识到此路不通。 反复思考后他产生了等效原理的思想。 爱因斯坦曾回忆这一思想产生的关键时刻:“有一天,突破口突然找到了。 当时我正坐在伯尔尼专利局办公室里,脑子忽然闪现了一个念头,如果一个人正在自由下落,他决不会感到自己有重量。我吃了一惊,这个简单的理想实验给我的印象太深了。 它把我引向了引力理论。 ”。 从 1907 年发表有关等效原理的论文开始,爱因斯坦几乎单枪匹马奋斗了 9 年,才把广义相对论的框架大体建立起来。 1905 年发表狭义相对论时,有关的条件已经成熟,洛伦兹、彭卡莱等一些人,都已接近狭义相对论的发现。 而 1915 年发表广义相

13、对论时,爱因斯坦则远远超前于那个时代所有的科学家,除他之外,没有任何人接近广义相对论的发现。 所以爱因斯坦自豪地说:如果我不发现狭义相对论, 5 年以内肯定会有人发现它。 如果我不发现广义相对论, 50 年内也不会有人发现它。狭义相对论的问世，震动了物理学界，也使这位年轻学者的名字，马上传遍了整个欧洲，给他带来了极高的声誉。德国著名的理论物理学家普朗克，向布拉格大学推荐爱因斯坦时说：“要对爱因斯坦理论作出中肯评价的话，那么可以把他比作 20 世纪的哥白尼。这也正是我所期望的评价。 ”爱因斯坦先后生活在西方政治漩涡中心的德国和美国，经历过两次世界大战，目睹了科学技术在两次大战中所造成的巨大破坏，

14、因此，他认为战争与和平的问题是当代的首要问题，他一生中发表得最多的也是这方面的言论。他对政治问题第一次公开的表态是 1914年签署的告欧洲人书 ，是一个反对第一次世界大战的声明，最后一次是 1955 年 4 月签署的“罗素爱因斯坦宣言” ，仍然是呼吁人们团结起来，防止新的世界大战的爆发，这其间四十多年，他多次发表文章和演讲，号召全世界人民团结起来、反对战争。1914 年 10 月中旬，包括爱因斯坦在内的四个人签署了一封告欧洲人书 ，公开与 93人签名的告文明世界书针锋相对。这个宣言虽不是爱因斯坦写的，但同他的政治思想完全一致。其中写到：“以前任何一次战争都没有像现在这样完全破坏文化合作。 ”“

15、目前正在蔓延开的战火是很难产生胜利者的，所有参加战争的国家很可能都将付出极高的代价。因此，一切国家里有教养的人都要尽力去争取这样一种和平条约，这种条约不管目前冲突的结果如何，将都不会撒下未来战争的种子；这样的努力显然不仅是明智的，而且也是必要的。 ”“朝着这个方向走的第一步，应当是一切真正爱护欧洲文化的人 一切曾经为歌德所预言的善良的欧洲人的人们 团结起来。 ”“我们自己所探索的不过是行动的第一步，就是发出这个挑战书。如果您同我们一条心，如果您也决心为欧洲的统一开创一个广泛的运动，那么就请您签上自己的名字吧。 ”1914 年 8、9 月，爱因斯坦在给埃伦费斯特的信中表示反战情绪，同年 11 月

16、，参与了反战知识分子在柏林组成的“新祖国联盟” ，并多次在会议上登台演说。1915 年 3 月，爱因斯坦写信给法国大作家、反战人道主义者罗曼罗兰，支持他的反战活动，同年 4 月，爱因斯坦写信动员洛伦兹参与“荷兰反战委员会” 。有时，爱因斯坦还与国外反战人士会晤，并大声疾呼：“战争对国际合作的发展是最可怕的障碍，尤其在于它对文化的影响。战争破坏了知识分子从事创造性工作不可缺少的一切条件。而且，战争导致国家贫困，导致长期的经济萧条。所以，凡是珍惜文化价值的人，就不会不成为和平主义者。 ”1917 年秋天，对于俄国工人和农民革命的胜利，爱因斯坦表现出由衷的喜悦。他认为这是马克思主义学说在一个大国里的

17、一次成功偿试，并高度评价俄国革命导师列宁。1927 年 2 月，爱因斯坦在巴比塞起草的反法西斯宣言上签名，参加国际反帝大同盟，并被选为名誉主席。1930 年 5 月，在“国际妇女和平与自由同盟”的世界裁军声明上签字，同年 5 月 30 日，爱因斯坦领头签署了一份著名反战宣言，即全世界裁军宣言 ，同时签名的还有罗素、兹伐格、托玛斯曼、阿丹兹和巴甫洛夫。这个宣言连同 1914 年的告欧洲人书和 1955 年的罗素爱因斯坦宣言一样体现出爱因斯坦的信念：和平与和谐。同年 12 月 14 日，在美国纽约，由“新历史学会”主办的集会上，爱因斯坦发表了“战斗的和平主义”的演讲。在这篇著名演讲中，爱因斯坦提出

18、了两条制止战争的“行动方针” 。1913 年， “反战国际”甚至设立了一个名叫“爱因斯坦反战者国际基金” 。为参加 1932 年的国际裁军会议，他特地事先发表了一系列文章和演讲，1932 年 5 月，爱因斯坦参加了日内瓦裁军大会，感到极端失望。1933 年 5 月 26 日，爱因斯坦在给劳厄的信中指出科学家对重大政治问题不应当默不作声。同年 7 月，爱因斯坦的思想转变了。和平的幻想已经破灭，他挺身而出告诉人民，只要法西斯主义统治着德国，就不会有和平。在这生死关头，只有准备战斗，才有可能求生。1934 年 11 月美国芝加哥政治中一个名叫阿林生的人，写了一篇批评爱因斯坦改变和平主义者立场的文章，

19、题为爱因斯坦，请你为欧洲和平发言 。爱因斯坦写了题为和平主义的重新审查一文，从现实角度呼吁人们丢掉幻想，准备与希特勒的纳粹德国作殊死的战斗。1937 年 4 月 18 日，纽约举行支援西班牙共和国的群众大会，参加的有 3500 人，爱因斯坦因病没有出席。但他请人在集合上宣读了他的电报：“我首先要大声疾呼，为拯救在西班牙的自由，必须采取有力的行动。我衷心祝愿你们在这一正义的和意义深远的事业中取得成功。 ”1944 年，为支持反法西斯战争，爱因斯坦以 600 万美元拍卖 1905 年狭义相对论论文手稿。同年 12 月，爱因斯坦在同斯特恩、玻尔讨论原子武器和战后和平问题时，听从波尔劝告，暂时保持沉默

20、。1945 年 3 月爱因斯坦同西拉德讨论原子军备的危险性。1945 年 8 月美国在日本的广岛和长崎各投下一枚原子弹。两地顿时变成焦土。有人开始把爱因斯坦叫做“原子弹之父” ，因为他的公式 E=mc2 奠定了原子弹的理论基础；因为他给罗斯福总统的那封信，开启了原子弹研究和制造的进程。爱因斯坦在听到广岛和长崎的悲剧后深感痛心，认为这一灾难是自己制造的。因为他在一封关于研究核能方面的信上签了字，正式启动了该工程。1955 年 4 月，签发了由罗素起草的原名叫科学家要求废止战争的“罗素 爱因斯坦宣言” 。4 月 5 日，罗素将起草的宣言草稿寄给爱因斯坦。4 月 11 日，爱因斯坦在宣言上签了名。两天后就患重病，18 日就逝世了。这篇宣言直到同年 7 月 9 日才由罗素在伦敦公开发表。当时在宣言上签名的还有美国的布立奇曼和缪勒，英国的泡威耳和罗特布拉特，法国的约里奥居里，波兰的英费尔德，日本的汤川秀树，后来联邦德国的麦克斯波恩和美国的泡林也签了字。爱因斯坦的一生是伟大的，他开创了物理学上的一个新纪元、为物理学指明了方向，同时他也为世界的和平做出了他作为一个有思想有道德有先进意识科学家的贡献与努力。