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爱因斯坦创立相对论|科海探奇·趣味科学

时间:2023-07-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:但爱因斯坦却提出,空间、时间和质量都是相对的,都不是绝对不变的,它们都随着物体的运动和不同的观察者而变化,速度越高,变化越大。1916年,爱因斯坦又进一步发展了狭义相对论,建立起广义相对论。爱因斯坦的新理论,在当时简直是不可思议的,许多人都对这一论断表示怀疑。因为他们将通过对这次日食的观测,来验证爱因斯坦4年提出的新理论是否正确。这是爱因斯坦相对论的胜利,从此人们再也不怀疑相对论的科学价值了。

爱因斯坦创立相对论|科海探奇·趣味科学

以17世纪意大利物理学家伽利略提出“自由落体定律”和英国物理学家牛顿发现“牛顿运动定律”和“万有引力定律”为代表,确立了古典物理学的基本体系。

又经过200年的发展,到19世纪后期,物理学取得了一系列辉煌的成就,很多古代人无法说清的现象,都一一得到了合理的解释。

于是,许多人认为物理学已发展到了“顶锋”,把牛顿力学奉为“经典”,以为这门科学一切重大的原则性的理论问题都已解决,今后只需要细节上作些补充,而不会再有重大的突破了。

事实果真如此吗?不!随着科学技术的不断进展,特别是19世纪末迅速发展起来的电磁学和放射性元素的发现,许多科学现象无法用古典物理学的理论来解释。

几个世纪以来所建立起来的古典物理学体系,正在不断受到人类新知识的检验。

当时,许多物理学家受旧理论框框的束缚,感到困惑彷徨;然而,在瑞士伯尔尼发明专利局任小职员的一位年轻人——阿尔伯特·爱因斯坦却敢想、敢干,大胆创新。

他在前人研究成果的基础上,根据数学和物理学的基本理论,经过多年苦心的研究和实验,对空间和时间这样一些基本概念,得出了同古典物理学完全不同的理解。

在古典物理学看来,时间、空间和质量都是绝对不变的,它们与运动无关。

例如,在上海是1米长的布料,1千克重的铁块;在上海开往北京的火车上,这段布料仍是1米长,这块铁也仍是1千克重。在上海度过的1小时,在飞驶的列车上也是度过1小时。空间就是空间,时间就是时间,两者互不相关,更不能互相转化。但爱因斯坦却提出,空间、时间和质量都是相对的,都不是绝对不变的,它们都随着物体的运动和不同的观察者而变化,速度越高,变化越大。同时,时间和空间可以互相转化。

如果一艘宇宙飞船能以接近光速太空中飞行,那么在飞船上的1米就要比地面上的1米短,1小时要比地面上的1小时长,而1千克也要比地面上的1千克重。就是说“缩短了空间,延长了时间”,或者说,“用了时间,省空间”。

人要是坐上宇宙飞船到太空作星际旅行,在高速飞行的飞船里,物体沿运动方向缩短了,时间变慢了,这样,人的寿命也就相对延长了。当飞船速度达到光速时,人在飞船上旅行一年后归来,地球上人间已过50年!

当然,现在飞船的速度远比光速慢,这只不过是推想。但随着现代科技的高度发展,将来宇航员作星际旅行后归来,面对白发儿子的情景,或许会成为现实。

19世纪末、20世纪初,法国科学家柏克勒尔和居里夫妇对放射性元素的发现和研究,在科学界引起了轰动。

铀、钍、镭等元素释放出巨大的能量,这样巨大的能量是从哪里来的呢?过去物理学的一切理论都是基于这样一个事实。

物质和能量既不能创生,也不能消灭。难道物理学的所有理论都因放射性元素的发现而过时了吗?

爱因斯坦经过深思熟虑后又指出:

能量和质量是同一物质的两个不同的侧面,质量可以转变为能量,能量也可以转变成质量。

放射能就是微小的质量转变成了能量。由于转变成能量的质量非常小,以致用普通的重量测定方法测不出亏损的质量;但微小质量所释放出的能量却非常巨大,因此可以通过对能量的测定,推出亏损的质量。

爱因斯坦关于“质能转换”的结论,在当时似乎是违反“常识”的,但却与实验事实相吻合,并解释了科学家们用其他方法解释不了的问题,为以后原子能科学的发展,奠定了理论基础。(www.xing528.com)

当时,人们都相信光能够在宇宙空间中传播,而光又是一种弹性波,因此宇宙空间应当有某种传播光的媒质,科学家们假设这种媒质叫“以太”。

他们认为地球也以一定的速度相对于“以太”运动,因此地面上的光源向不同方向发出的光线,对地面应有不同的速度。于是,只要比较与地球运动方向一致以及与地球运动方向垂直的两种光的速度,就可了解地球的运动。

为此,科学家迈克耳孙和莫雷设计了一个精密的光学实验,企图证明“以太”的存在。但令人震惊的是,他们未能观测到不同方向上光速的差,从而否定了“以太”的存在。

对于这一问题,爱因斯坦也发表了精辟的见解:

光速同光源的运动无关,总是恒定的,从而推出在宇宙中既没有绝对的运动,也没有绝对的静止。

如果把太阳的位置作为宇宙空间中地球位置的参照系,地球看起来就在作某种形式的运动;而如把火星的位置作为参照系,那么地球看上去就在另一种形式的运动。

以上种种相对性原理和光速不变原理,爱因斯坦都把它们归纳在1905年发表的一篇题为《论动体的电动力学》的论文中,这就是现在人们所说的狭义相对论

这一理论开辟了物理学的新天地,对20世纪的科学发展产生了重大的影响。那么,牛顿力学是不是全错了呢?不是。当物体运动速度比光速小得多的时候,时间、空间、质量虽也有所变化,但这种变化微乎其微,所以牛顿力学在绝大多数情况下仍然成立;只有当运动速度接近光速时,牛顿力学不再适用,需用相对论才能解释许多的物理现象。

狭义相对论的建立,震动了整个科学界。

1909年冬,爱因斯坦被聘请为苏黎世大学特约物理学教授。

在名利面前,爱因斯坦丝毫没有陶醉,他和以前一样过着简朴的生活,而且更加勤奋,全身心地扑在科学研究上。

1916年,爱因斯坦又进一步发展了狭义相对论,建立起广义相对论。他认为空间和时间不仅与运动有关,而且与物质的质量、分布状态有关。有任何具有质量的物质周围,都会产生引力场,这是一种新的物质形态。在强引力场的作用下,时间和空间会发生弯曲,质量越大,时间和空间的弯曲越厉害。

爱因斯坦的新理论,在当时简直是不可思议的,许多人都对这一论断表示怀疑。

1919年3月29日,发生了科学史上最重要的一次日食,许多天文学家早已热切地期待着这次日食。因为他们将通过对这次日食的观测,来验证爱因斯坦4年提出的新理论是否正确。

那一天,科学家们分别在南美和西非设立了两个观测点,精确地拍下了在变暗了的太阳周围星光的照片。观测证明,星光在通过太阳附近时,由于太阳巨大质量的作用,的确发生弯曲而偏离了原来的直线。这是爱因斯坦相对论的胜利,从此人们再也不怀疑相对论的科学价值了。

故事哲理

有一次,一个艺术家问他:“人应当怎样生活?”爱因斯坦幽默地回答:“A=X+Y+Z”。什么意思呢?爱因斯坦解释说,A是生活,X是工作,Y是适当的娱乐,Z是经常闭嘴。艺术家明白了,在爱因斯坦看来,人生应该是“多做工作,适当娱乐,少说空话”。爱因斯坦的一生,就是这个公式的写照。

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