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第2章 爱因斯坦发明相对论

阿尔伯特·爱因斯坦(1879~1955),犹太人,出生在德国。他是20世纪最伟大的物理学家。

1896年,爱因斯坦考入瑞士的苏黎士联邦大学,并从此开始了终其一生的物理学研究。他获得了多方面开拓性的研究成果,并获得诺贝尔物理学奖。爱因斯坦在物理学的量子论、宇宙学、相对论三个不同领域取得了历史性成就。特别是他相对论中的狭义相对论更是具有伟大的科学意义。

在爱因斯坦不足16岁的时候,有一次乘坐马车,当他看到马车在地面上经过时,忽然产生了一个奇怪的念头:如果有人以光速和光线一齐前进,那么,是不是将看到光线乃是静止在空间中的电磁波呢?

就像我们坐在一辆匀速行驶的汽车上,观察与我们以同样的速度、同样的方向,一块儿前进的另一辆汽车一样,感觉那辆汽车似乎是不动的。

可是,爱因斯坦却凭着推理和想像,认为那是不可能的。

火车上的乘客,相对于火车没有运动,相对于地面却以每秒几十米的速度飞驰而过。火车相对于地面运动、地球相对于太阳运动,这些都是相对运动。但是,如果按此继续推导下去,太阳相对于银河系中心运动,那银河系又相对于什么运动呢?

根据经典物理学的解释,除去相对运动外,还有绝对运动,即相对于绝对空间的运动。

牛顿把它解释为:“是和外界任何事物无关,而永远是相同的和不动的。”

既然绝对空间和外界毫无关系,那它又是如何存在和被人所了解的呢?

对于这个问题,爱因斯坦决定从“以太之谜”入手进行研究。

“以太”这个词,是古希腊人的创造。他们认为空气中充满着以太这种物质,它是肉眼看不见的,但无处不在。

牛顿借用以太一词,把它作为万有引力的传播媒介。

但光的“波动说”却认为以太是光波的传播媒介,就像空气是声波的媒介一样。

“波动说”还认为,以太无所不在,不但充满宇宙空间,而且渗透于气体、水和一切物体之中。它没有一点摩擦阻力,不影响一切物体的运动。

19世纪末,以太又被人们说成是电磁场的承担者和电磁波的传播者。还有人干脆把这样看不见摸不着、说不清道不明的以太,说成是牛顿的绝对空间!

这种说法可靠吗?“难道光只有借助传播媒介才能传播吗?而这种传播媒介又只能是以太吗?”

“既然没有任何东西,能够证明绝对空间和绝对时间的存在,那么,它们就是不存在的。”

在狭义相对论中,爱因斯坦提出了两个基本原理:

一、光的速度是不变的。

二、当物体运动的速度接近或达到光速时,相对该物体来说,时间将减慢。即所谓狭义相对论原理。

爱因斯坦又根据狭义相对论原理,推导出了物体的质量也与运动密切相关,运动速度增加,质量也随之增加,并得出了质能关系式:E=mc2,即物体转化为能量时,能量的总值相当于它的质量与光速的平方的乘积,从而揭示了原子内部蕴藏着巨大能量的秘密!

对于相对论原理,爱因斯坦自己曾经做过简明扼要的说明:

“要点是这样的:早先人们认为,假如由于某种奇迹,一切有形体的事物突然一下子消失了,那么空间和时间仍会留下来。照相对论来说,空间和时间是和一切事物一起消失的。”

时间、长度和质量是力学研究中的三个基本量。在牛顿的力学中,它们是绝对的、不变的。但在相对论中,它们却又变成了和测量者所在的坐标系有关的量。

此外,在牛顿的力学中,质量和能量二者分明,互不相关,各自守恒。而在相对论中,牛顿的守恒定律就变成了质能守恒定律,即E=mc2。

于是,空间和时间统一起来了,物质和运动统一起来了,质量和能量统一起来了。

这是一场真正的物理科学的革命!

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