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相对论是爱因斯坦创立的一个关于时间、空间和物质之间关系的理论。它分为狭义相对论和广义相对论两个部分。那爱因斯坦是怎么创立的呢?下面我们就一起来看看吧!
爱因斯坦和相对论 早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快的速度前进的电磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光，只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?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，笛卡尔首次将它引入科学，作为传播光的媒质。 其后，惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同，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，然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展。当时的看法是，波的传播要依赖于媒质，因为光可以在真空中传播，传播光波的媒质是充满整个空间的以太，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，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。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。但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学框架的，但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难，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，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如，有两辆汽车，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，按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同，汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论，这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速，即前车的光速=光速+车速;而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=光速 车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。 我们如何解决这一分歧呢? 19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为 一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂 。在人们的心目中，古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国着名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说： 年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。 爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。 在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。在10年的探索过程中，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。他阅读了许多着作后发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。但经他研究发现，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。 于是他想到：以太作为绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?爱因斯坦喜欢阅读哲学着作，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。相对性原理已经在力学中被广泛证明，但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，马赫在所着的《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，爱因斯坦与朋友贝索讨论这个已探索了10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5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，爱因斯坦没有多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，但光速并非无限大，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。他给出了着名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。 1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，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，提交了那篇着名的论文去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。 拓展 在霍金证明黑洞能发出辐射之前，黑洞被认为只会贪婪地吸取周围的一切，甚至连光都不放过，不会发射出任何东西，因而所有落入黑洞的物质和信息都不能出来，黑洞的最终命运是什么谁也不知道。这就带来一个问题，既然我们无从得知黑洞最终会怎样，我们又如何知道宇宙最终会走向什么方向呢? 霍金认为，在真空中由量子涨落产生的虚粒子对，其中一颗有可能在湮灭之前落入黑洞，另一颗就必然会被提升为实粒子。这就违背了能量守恒定律，因此这颗粒子的质量一定是从黑洞本身质量而来，这样黑洞就形成了一种辐射，这种辐射以霍金的名字被命名为霍金辐射。 一般黑洞由于不断吸取周围的物质，吸收的物质比发出的要多得多，因而可以存活非常长的时间。科学家们测算，一般恒星死亡产生的黑洞可以存活10^66年，而超大质量黑洞则可以活10^99年，所以宇宙的归宿至少得等所有的黑洞都蒸发掉才会明朗。 而小黑洞则辐射的能量比吸收的多，因而会逐渐失去质量。大爆炸模型表明，大爆炸后最初的一小段时间有着极高的温度与压强，因而物质密度的简单波动就可能形成原初黑洞，但我们迄今没有发现这类黑洞，很有可能就是因为它们质量太小，到现在已经蒸发殆尽。理论认为，大型强子对撞机也可能产生微型黑洞，但这类黑洞质量极小，在产生的瞬间就会蒸发，因而不会对地球造成任何威胁，所以也不会带来世界末日。 由于黑洞的质量可以是普朗克质量以上的任何质量，所以最小黑洞的质量应该和普朗克质量差不多，那么它的寿命差不多也就是普朗克时间稍长一点吧，5.39X10^ 44秒，小到你连人生都无法怀疑。 需要说明的是，霍金辐射是第一个令人信服的量子引力理论，但目前还未实际观察到霍金辐射的存在。霍金曾经说过，如果能验证霍金辐射确实存在，他就可以得诺贝尔奖了 狭义相对论最大的贡献在于： 1、认为时间和空间是一个整体，建立了四维时空; 2、认为能量和动量是一个整体，建立了四维动量。 但是众所周知，狭义相对论还是不完善的。比如说，狭义相对论导致惯性系无法被定义，因为我们不可能通过一个实验同时来判断一个物体是不是处于一个惯性系中和受不受力;还有，狭义相对论无法囊括万有引力，这在当时只发现电磁力和万有引力的时代来说是相当危险的，准确来说是严重的困难和无比的遗憾。 关于惯性系无法定义的问题，我在这里着多点笔墨，这牵扯到后面要提的广义相对论： 我们知道，狭义相对论是建立在惯性系上的，但是狭义相对论同时造成了惯性系无法被定义。牛顿认为，存在一个绝对空间，所有相对于绝对空间静止和做匀速直线运动的参考系都是惯性系。而爱因斯坦认为不存在绝对空间，于是用牛顿定义惯性系的方法显然无效了。 那怎么办?否定掉了一个解释必须得找出替代的说法是不?于是就有人提出，把惯性系定义为，不受力的物体能在其中保持静止或者匀速直线运动状态的参考系，即把牛顿第一定律惯性定律视为惯性系的定义。 但是，这么一来，你如何去判断一个物体到底受力不受力呢?于是又有人说，物体在惯性系中，能保持静止或匀速直线运动状态的就是不受力。 这下我们可以发现，关于惯性系的定义我们已经陷入了一个逻辑循环：定义 惯性系 要用到 不受力 ，定义 不受力 又要回头用到 惯性系 ，这下问题可大了，物理学上是不允许有这样的情况发生的。 怎么办?怎么解决这个问题?同时还有万有引力的问题如何解释?爱因斯坦说，让我想想吧。于是，一想就足足想了十年! 1916年广义相对论发表。那么爱因斯坦是如何解决这两大困难的呢? 爱因斯坦在想，既然我惯性系无法定义，那么干嘛我还要用它呢?干嘛还非得惯性系不惯性系的呢?我直接把惯性系这个扔了，把狭义相对论的观点结论推广到非惯性系中也能成立不就行了嘛?也就是说把原来的相对性原理 物理规律在一切的惯性系中都相同 推广为 物理规律在一切的参考系中都相同 ，这样就不需要再去定义惯性系的问题了可以把这个讨厌的问题撇开了不是吗?妙，这招妙，用不着的或者是没法用的就直接扔了，伟人就是伟人! 话虽是这么说，但是这样就导致了一个问题：惯性力的问题没法处理。惯性系跟非惯性系的区别就是非惯性系中存在一个惯性力。在经典物理学中，牛顿认为所有的惯性力都起源于物体相对于绝对空间的加速，只有相对于绝对空间的加速才是真的加速，才产生惯性力。惯性力的特点之一就是没有反作用力，也就是说惯性力与真实的力不同，它不起源于相互作用。现在都不要惯性系了，那非惯性系里头存在的惯性力，怎么解决这个问题呢? 伟大的爱因斯坦就想，惯性力有一个重要的特点，即惯性力与物体的惯性质量成正比，这个特点跟万有引力特别相似，会不会两者的本质是一样的呢?另外，爱因斯坦又发现牛顿力学中引力质量和惯性质量精确相等的事实，同时又想起自己钦佩的哲学家马赫也认为根本不存在绝对空间，也不存在绝对运动，一切的运动都是相对的，惯性起源于物体间的相互作用!这下爱因斯坦立刻意识到，狭义相对论遇到的两个困难，实际上是一个困难! 于是，到了这里爱因斯坦非常地激动，并提出了非常有名的等效原理，且有了非常著名的 电梯思想实验 ，被后人称为 爱因斯坦升降机思想实验 。 等效原理是爱因斯坦对 引力质量与惯性质量相等 的一个推广，即惯性场与引力场等效，也就是说引力与惯性力等效。等效原理分为弱等效原理和强等效原理。它们之间的严格说法分别是： 弱等效原理：引力场和惯性场的力学效应是局域不可区分的。 强等效原理：引力场和惯性场的一切物理效应都是局域不可区分的。 所谓的局域就是指四维时空中一点的无穷小领域。 强等效原理涵盖了弱等效原理，可以看作是弱等效原理的一个推广。等效原理告诉我们，在无穷小的时空范围内，人们无法区分引力场和惯性场。看到此处说明本文对你还是有帮助的，关于“关于爱因斯坦和相对论的故事”留言是大家的经验之谈相信也会对你有益，推荐继续阅读下面的相关内容，与本文相关度极高！
