急求:简述爱因斯坦对物理学的发展所做的贡献及其意义。

划时代的大科学家,现代物理学的开创者和奠基人。他的工作对天文学和天体物理学有巨大的影响。

1879年3月14日生于德国乌尔姆镇,在瑞士度过青年时代。1900年毕业于苏黎世工业大学。毕业后即失业。经过两年的努力,才在伯尔尼的专利局找到固定工作。他早期的一系列有历史意义的贡献都是在这里完成的。1909年他开始在大学任教,1914年被邀请回到德国,任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。1933年希特勒上台,爱因斯坦因是犹太人,又坚决捍卫民主,就首遭迫害,被迫迁居到美国的普林斯顿。1940年入美国国籍。1955年4月18日在普林斯顿逝世。

十九世纪末叶是物理学的变革时期,新的实验结果冲击着伽利略、牛顿以来所建立的经典物理学体系。以洛伦兹等为代表的老一代理论物理学家力图在原有的理论框架内解决旧理论同新事实之间的矛盾。爱因斯坦则从实验事实出发重新考查了物理学的最基本的概念,抛弃了一些熟知的、但并不正确的观念,在理论上作出根本性的突破。他的一些主要成就都大大地推动了天文学的发展。

爱因斯坦的一项开创性贡献是发展了量子论。量子论是普朗克于1900年为解决黑体辐射谱而提出的一个假说。他认为物体发出辐射时所放出的能量不是连续的,而是量子化的。然而,大多数人,包括普朗克本人在内,都不敢把能量不边续概念再向前推进一步,甚至一再企图把这一概念纳入经典物理学体系。爱困斯坦的态度则截然不同,他预感到量子论带来的,不是小的修正,而是整个物理学的根本变革。他把量子论推向前进,利用量子概念分析辐射的传播和吸收,提出光量子概念,完满地解释了经典物理学无法解释的光电效应的经验规律,从而动摇了光的波动论的正统地位。光量子概念的提出在人类认识自然界的历史第一次揭示了光同时具有波动性和粒子性(今通称二象性),它直接为德布罗意的物质波理论的建立,以及随后的量子力学的建立开辟了道路。这项工作获得1921年诺贝尔物理学奖金。爱因斯坦于1906年又把量子论扩展到物体内部的振动上去,成功地说明了低温时固体的比热同温度变化的关系。1916年他继续发展量子论,从玻尔的量子跃迁概念导出黑体辐射。在这项研究中他把统计物理概念和量子论结合起来,提出自发发射及受激发射等概念。从量子论的基础直到受激发射概念,对天体物理学,特别是理论天体物理学都有很大的影响。理论天体物理学的第一个成熟的方面–恒星大气理论,就是在量子理论和辐射理论的基础上建立起来的。

作为爱因斯坦终生事业的标志是他的相对论。他在1905年发表的题为《论动体的电动力学》的论文中,完整地提出了狭义相对论。他根据惯性参考系的相对性和光速的不变性这两个具有普遍意义的概括,改造了经典物理学中的时间、空间及运动等基本概念。否定了绝对静止空间的存在,否定了同时概念的绝对性。在这一体系中,运动的尺要缩短,运动的钟要变慢。狭义相对论最出色的成果之一是揭示了能量与质量之间的联系。著名的关系式E=mc^2成为打开核能源理论的金钥匙。核能的发现,使长期存在的恒星能源的疑难最终获得了满意的解决。近年来发现越来越多的高能天体物理现象,狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。

狭义相对论确立之后,爱因斯坦开始致力于引力理论的研究。他也象在建立狭义相对论的工作一样,抓住一个众所周知的基本事实,即:惯性质量同引力质量之比是一个与物性无关的普遍常数。根据这一点,他提出等效原理。经过多年的努力,终于在1915年建立了本质上与牛顿引力理论完全不同的引力理论—广义相对论。广义相对论从一开始就与天文现象有密切的关系。广义相对论的一系列关键性的检验,都是在宇宙“实验室”中完成的。根据广义相对论,爱因斯坦推算出水星近日点的(反常)进动,解决了一个天文学上多年不解之谜。同时,他推断光线在引力场中要弯曲。这一预言于1919年由爱丁顿等通过日食的观测而得到证实。在六十二年后的1978年,测定了射电脉冲星双星PSR1913+16的周期变化,许多人认为它完全符合引力波阻尼理论所作的预言,对广义相对论可能是又一个有力的证明。在强引力场情况下,广义相对论有许多独特的结论。例如奥本海默根据广义相对论预言,恒星在核能用尽之后,如果质量足够大,就不可避免地会演变成黑洞。1967年发现脉冲星并证实为中子星后,人们认识到到空中的确存在着强场天体。现在,天鹅座X-1被认为可能就是一个黑洞。上述这一切构成相对论天体物理学的基本内容,它是目前天体物理学中最活跃的分支之一。

最能代表爱因斯坦对天文学有重大影响的莫过于他的宇宙学理论了。爱因斯坦在确立了广义相对论之后,紧接着就转向了对宇宙的考察。1917年,爱因斯坦发表他的第一篇宇宙论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》。象他多次以一篇论文开创一个领域一样,这篇论文宣告了相对论诞生。虽然时间已经过去六十多年了,但是,这篇论文所引进的许多观念至今仍富有生命力。在探索宇宙中,爱因斯坦首先指出无限宇宙与牛顿理论二者这间存在着难以克服的内在矛盾。在原则上,根据牛顿力学不能建立无限宇宙这一物理体系的动力学。从牛顿理论和无限宇宙这两点出发,根本得不到一个自洽的宇宙模型。因此,必然是:或者修改牛顿理论,或者修改无限空间观念,或者对二者都加以修改。爱因斯坦放弃了传统的宇宙空间三维欧几里得几何的无限性。他根据广义相对论建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型。在这个模型中,宇宙就其空间广延来说是一个闭合的连续区。这个连续区的体积是有限的,但它是一个弯曲的封闭体,因而是没有边界的。

爱因斯坦在宇宙学的研究中引进用动力学建立宇宙模型的方法,引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念。而且他主张,宇宙的体积是无限的或有限的这个问题,只有依靠科学而不是依靠信仰才能解决。这种崇尚科学的态度,继承了由哥白尼等开创的科学探索精神。他曾说:“科学研究能破除迷信,因为它鼓励人们根据因果关系来思考和观察事物。”他的宇宙学研究,体现了这种反对迷信的精神。因此,无论是同意或反对他的宇宙观念的人,都有不能不承认,爱因斯坦在宇宙学中也写下了十分光辉的一页。

20世纪最伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert.Einstein)1879年3月14日出生在德国西南的乌耳姆城,一年后随全家迁居慕尼黑。爱因斯坦的父母都是犹太人,父亲赫尔曼·爱因斯坦和叔叔雅各布·爱因斯坦合开了一个为电站和照明系统生产电机、弧光灯和电工仪表的电器工厂。母亲玻琳是受过中等教育的家庭妇女,非常喜欢音乐,在爱因斯坦六岁时就教他拉小提琴。

爱因斯坦小时候并不活泼,三岁多还不会讲话,父母很担心他是哑巴,曾带他去给医生检查。还好小爱因斯坦不是哑巴,可是直到九岁时讲话还不很通畅,所讲的每一句话都必须经过吃力但认真的思考。

在四、五岁时,爱因斯坦有一次卧病在床,父亲送给他一个罗盘。当他发现指南针总是指着固定的方向时,感到非常惊奇,觉得一定有什么东西深深地隐藏在这现象后面。他一连几天很高兴的玩这罗盘,还纠缠着父亲和雅各布叔叔问了一连串问题。尽管他连“磁”这个词都说不好,但他却顽固地想要知道指南针为什么能指南。这种深刻和持久的印象,爱因斯坦直到六十七岁时还能鲜明的回忆出来。

爱因斯坦在念小学和中学时,功课属平常。由于他举止缓慢,不爱同人交往,老师和同学都不喜欢他。教他希腊文和拉丁文的老师对他更是厌恶,曾经公开骂他:“爱因斯坦,你长大后肯定不会成器。”而且因为怕他在课堂上会影响其他学生,竟想把他赶出校门。

爱因斯坦的叔叔雅各布在电器工厂里专门负责技术方面的事务,爱因斯坦的父亲则负责商业的往来。雅各布是一个工程师,自己就非常喜爱数学,马塞尔格罗斯曼是谁当小爱因斯坦来找他问问题时,他总是用很浅显通俗的语言把数学知识介绍给他。在叔父的影响下,爱因斯坦较早的受到了科学和哲学的启蒙。

父亲的生意做得并不好,但却是一个乐观和心地善良的人,家里每星期都有一个晚上要邀请来慕尼黑念书的穷学生吃饭,这样等于是救济他们。其中有一对来自立陶宛的犹太兄弟麦克斯和伯纳德,他们都是学医科的,喜欢阅读书籍、兴趣广泛。他们被邀请来爱因斯坦家里吃饭,并和羞答答、长着黑头发和棕色眼睛的小爱因斯坦交成了好朋友。

麦克斯可以说是爱因斯坦的“启蒙老师”,他借了一些通俗的自然科学普及读物给他看。麦克斯在爱因斯坦十二岁时,给了他一本施皮尔克的平面几何教科书。爱因斯坦晚年回忆这本神圣的小书时说:“这本书里有许多断言,比如,三角形的三个高交于一点,它们本身虽然并不是显而易见的,但是可以很可靠地加以证明,以致任何怀疑似乎都不可能。这种明晰性和可靠性给我留下了一种难以形容的印象。”

爱因斯坦还幸运地从一部卓越的通俗读物中知道了自然科学领域里的主要成果和方法,科普读物不但增进了爱因斯坦的知识,而且拨动了年轻人好奇的心弦,引起他对问题的深思。

爱因斯坦十六岁时报考瑞士苏黎世的联邦工业大学工程系,可是入学考试却告失败。他接受了联邦工业大学校长以及该校著名的物理学家韦伯教授的建议,在瑞士阿劳市的州立中学念完中学课程,以取得中学学历。

1896年10月,爱因斯坦跨进了苏黎世工业大学的校门,在师范系学习数学和物理学。他对学校的注入式教育十分反感,认为它使人没有时间、也没有兴趣去思考其他问题。幸运的是,窒息真正科学动力的强制教育,在苏黎世的联邦工业大学要比其他大学少得多。爱因斯坦充分的利用学校中的自由空气,把精力集中在自己所热爱的学科上。在学校中,他广泛的阅读了赫尔姆霍兹、赫兹等物理学大师的著作,他最着迷的是麦克斯韦的电磁理论。他有自学本领、分析问题的习惯和独立思考的能力。

1900年,爱因斯坦从苏黎世工业大学毕业。由于他对某些功课不热心,以及对老师态度冷漠,被拒绝留校。他找不到工作,靠做家庭教师和代课教师过活。在失业一年半以后,关心并了解他才能的同学马塞尔·格罗斯曼向他伸出了援助的手。格罗斯曼设法说服自己的父亲把爱因斯坦介绍到瑞士专利局去作一个技术员。

爱因斯坦终身感谢格罗斯曼对他的帮助。在悼念格罗斯曼的信中,他谈到这件事时说,当他大学毕业时,“突然被一切人抛弃,一筹莫展的面对人生。他帮助了我,通过他和他的父亲,我后来才到了哈勒(时任瑞士专利局局长)那里,进了专利局。这有点象救命之恩,没有他我大概不致于饿死,但精神会颓唐起来。”

1902年2月21日,爱因斯坦取得了瑞士国籍,并迁居伯尔尼,等待专利局的招聘。1902年6月23日,爱因斯坦正式受聘于专利局,任三级技术员,工作职责是审核申请专利权的各种技术发明创造。1903年,他与大学同学米列娃.玛丽克结婚。

1900~1904年,爱因斯坦每年都写出一篇论文,发表于德国《物理学杂志》。头两篇是关于液体表面和电解的热力学,企图给化学以力学的基础,以后发现此路不通,转而研究热力学的力学基础。1901年提出统计力学的一些基本理论,1902~1904年间的三篇论文都属于这一领域。

1904年的论文认真探讨了统计力学所预测的涨落现象,发现能量涨落取决于玻尔兹曼常数。它不仅把这一结果用于力学体系和热现象,而且大胆地用于辐射现象,得出辐射能涨落的公式,从而导出维恩位移定律。涨落现象的研究,使他于1905年在辐射理论和分子运动论两方面同时做出重大突破。

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。

1905年3月,爱因斯坦将自己认为正确无误的论文送给了德国《物理年报》编辑部。他腼腆的对编辑说:“如果您能在你们的年报中找到篇幅为我刊出这篇论文,我将感到很愉快。”这篇“被不好意思”送出的论文名叫《关于光的产生和转化的一个推测性观点》。

这篇论文把普朗克1900年提出的量子概念推广到光在空间中的传播情况,提出光量子假说。认为:对于时间平均值,光表现为波动;而对于瞬时值,光则表现为粒子性。这是历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的统一,即波粒二象性。

在这文章的结尾,他用光量子概念轻而易举的解释了经典物理学无法解释的光电效应,推导出光电子的最大能量同入射光的频率之间的关系。这一关系10年后才由密立根给予实验证实。1921年,爱因斯坦因为“光电效应定律的发现”这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。

这才仅仅是开始,阿尔伯特·爱因斯坦在光、热、电物理学的三个领域中齐头并进,一发不可收拾。1905年4月,爱因斯坦完成了《分子大小的新测定法》,5月完成了《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》。这是两篇关于布朗运动的研究的论文。爱因斯坦当时的目的是要通过观测由分子运动的涨落现象所产生的悬浮粒子的无规则运动,来测定分子的实际大小,以解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题。

三年后,法国物理学家佩兰以精密的实验证实了爱因斯坦的理论预测。从而无可非议的证明了原子和分子的客观存在,这使最坚决反对原子论的德国化学家、唯能论的创始人奥斯特瓦尔德于1908年主动宣布:“原子假说已经成为一种基础巩固的科学理论”。

1905年6月,爱因斯坦完成了开创物理学新纪元的长论文《论运体的电动力学》,完整的提出了狭义相对论。这是爱因斯坦10年酝酿和探索的结果,它在很大程度上解决了19世纪末出现的古典物理学的危机,改变了牛顿力学的时空观念,揭露了物质和能量的相当性,创立了一个全新的物理学世界,是近代物理学领域最伟大的革命。

狭义相对论不但可以解释经典物理学所能解释的全部现象,还可以解释一些经典物理学所不能解释的物理现象,并且预言了不少新的效应。狭义相对论最重要的结论是质量守恒原理失去了独立性,他和能量守恒定律融合在一起,质量和能量是可以相互转化的。其他还有比较常讲到的钟慢尺缩、光速不变、光子的静止质量是零等等。而古典力学就成为了相对论力学在低速运动时的一种极限情况。这样,力学和电磁学也就在运动学的基础上统一起来。

1905年9月,爱因斯坦写了一篇短文《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,作为相对论的一个推论。质能相当性是原子核物理学和粒子物理学的理论基础,也为20世纪40年代实现的核能的释放和利用开辟了道路。

在这短短的半年时间,爱因斯坦在科学上的突破性成就,可以说是“石破天惊,前无古人”。即使他就此放弃物理学研究,即使他只完成了上述三方面成就的任何一方面,爱因斯坦都会在物理学发展史上留下极其重要的一笔。爱因斯坦拨散了笼罩在“物理学晴空上的乌云”,迎来了物理学更加光辉灿烂的新纪元。

狭义相对论建立后,爱因斯坦并不感到满足,力图把相对性原理的适用范围推广到非惯性系。他从伽利略发现的引力场中一切物体都具有同一加速度这一古老实验事实找到了突破口,于1907年提出了等效原理。在这一年,他的大学老师、著名几何学家闵可夫斯基提出了狭义相对论的四维空间表示形式,为相对论进一步发展提供了有用的数学工具,可惜爱因斯坦当时并没有认识到它的价值。

等效原理的发现,爱因斯坦认为是他一生最愉快的思索,但以后的工作却十分艰苦,并且走了很大的弯路。1911年,他分析了刚性转动圆盘,意识到引力场中欧氏几何并不严格有效。同时还发现洛伦茨变化不是普适的,等效原理只对无限小区域有效……。这时的爱因斯坦已经有了广义相对论的思想,但他还缺乏建立它所必需的数学基础。

1912年,爱因斯坦回到苏黎世母校工作。在他的同班同学、母校任数学教授的格罗斯曼帮助下,他在黎曼几何和张量分析中找到了建立广义相对论的数学工具。经过一年的奋力合作,他们于1913年发表了重要论文《广义相对论纲要和引力理论》,提出了引力的度规场理论。这是首次把引力和度规结合起来,使黎曼几何获得实在的物理意义。

不过他们当时得到的引力场方程只对线性变换是协变的,还不具有广义相对论原理所要求的任意坐标变换下的协变性。这是由于爱因斯坦当时不熟悉张量运算,错误的认为,只要坚持守恒定律,就必须限制坐标系的选择,为了维护因果性,不得不放弃普遍协变的要求。

在1915年到1917年的3年中,是爱因斯坦科学成就的第二个高峰,类似于1905年,他也在三个不同领域中分别取得了历史性的成就。除了1915年最后建成了被公认为人类思想史中最伟大的成就之一的广义相对论以外,1916年在辐射量子方面提出引力波理论,1917年又开创了现代宇宙学。

1915年7月以后,爱因斯坦在走了两年多弯路后,又回到普遍协变的要求。1915年10月到11月,他集中精力探索新的引力场方程,于11月4日、11日、18日和25日一连向普鲁士科学院提交了四篇论文。

在第一篇论文中他得到了满足守恒定律的普遍协变的引力场方程,但加了一个不必要的限制。第三篇论文中,根据新的引力场方程,推算出光线经过太阳表面所发生的偏转是1.7弧秒,马塞尔-里瑟同时还推算出水星近日点每100年的进动是43秒,完满解决了60多年来天文学的一大难题。

1915年11月25日的论文《引力的场方程》中,他放弃了对变换群的不必要限制,建立了真正普遍协变的引力场方程,宣告广义相对论作为一种逻辑结构终于完成了。1916春天,爱因斯坦写了一篇总结性的论文《广义相对论的基础》;同年底,又写了一本普及性的小册子《狭义与广义相对论浅说》。

1916年6月,爱因斯坦在研究引力场方程的近似积分时,发现一个力学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波,从而提出引力波理论。1979年,在爱因斯坦逝世24年后,间接证明了引力波存在。

1917年,爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构,发表了开创性的论文《根据广义相对论对宇宙所做的考察》。论文分析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念,指出它同牛顿引力理论和广义相对论都是不协调的。他认为,可能的出路是把宇宙看作是一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区,以科学论据推论宇宙在空间上是有限无边的,这在人类历史上是一个大胆的创举,使宇宙学摆脱了纯粹猜想的思辨,进入现代科学领域。

广义相对论建成后,爱因斯坦依然感到不满足,要把广义相对论再加以推广,使它不仅包括引力场,也包括电磁场。他认为这是相对论发展的第三个阶段,即统一场论。

1925年以后,爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。开头几年他非常乐观,以为胜利在望;后来发现困难重重,他认为现有的数学工具不够用;1928年以后转入纯数学的探索。他尝试着用各种方法,但都没有取得具有真正物理意义的结果。

1925年~1955年这30年中,除了关于量子力学的完备性问题、引力波以及广义相对论的运动问题以外,爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。

1937年,在两个助手合作下,他从广义相对论的引力场方程推导出运动方程,进一步揭示了空间——时间、物质、运动之间的统一性,这是广义相对论的重大发展,也是爱因斯坦在科学创造活动中所取得的最后一个重大成果。

在同一场理论方面,他始终没有成功,他从不气馁,每次都满怀信心底从头开始。由于他远离了当时物理学研究的主流,独自去进攻当时没有条件解决的难题,因此,同20年代的处境相反,他晚年在物理学界非常孤立。可是他依然无所畏惧,毫不动摇地走他自己所认定的道路,直到临终前一天,他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算。

一个物体在运动时会发出很多种信号,比如声音信号,气味信号,光信号,其中光信号可以是本身发出的,也可以是反射的,这些信号都表示物体运动的位置。要了解物体的运动情况,只有一个信号是不行的,也可以说只有一个位置是不行的,只有知道下一个位置,才能知道这个物体运动的方向与距离。所以就算只使用光信号,也需要知道物体运动时发出的第二个信号。爱因斯坦只提到物体发出的第一个光信号是一个球面波,也只针对这个球面波进行讨论,只能是光信号的运动情况,不是物体本身的运动情况。

在附件中有个图示,其实研究一个物体的直线运动,只需要开头与终点两个信号就行了。

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