【爱因斯坦创立广义相对论】意味着现代物理学革命的标志

时间:2018-01-16 11:40:38 来源:8794网 编辑:小霸气
爱因斯坦宣读论文

爱因斯坦宣读论文

  伟大的科学巨人爱因斯坦在1905年创立了狭义相对论,推翻了牛顿建立的经典力学的大厦。但是这一现代物理学的伟大成就似乎太过高深,以致许多人难以接受,爱因斯坦本人也受到了不少的责难。面对整个科学界特别是物理学界的不理解,爱因斯坦没有退缩和犹豫,他决心在自己的理论中找出不足之处,以进一步完善狭义相对论。

  他找出的不足是:狭义相对论只适用于高速运动的惯性参考系,但能否同样适用于加速运动的参照系呢?这就是新的困扰爱因斯坦的问题。执著追求的精神以及对科学真理的坚定信心,使爱因斯坦一心扑在新的试验与思考之中。1907年,爱因斯坦提出了自然规律同参照系的运动状态无关的假设。这一假设即广义相对性原理。这个假设成了后来广义相对论的两个基本前提之一。另一个基本前提“等效原理”来源于伽利略。在提出广义相对性原理不久,爱因斯坦在研究加速运动的相对性过程中,接触到了不少古代实验,其中就有伽利略的试验,即在引力场中一切物体都具有同一加速度,也就是惯性质量和引力质量相等。伽利略的这个试验即有名的比萨斜塔“两个铁球同时着地”的故事,当年的试验(17世纪中期)推翻了亚里士多德关于物体的质量与其加速度的关系的错误观点。这个实验在3个世纪后启发了爱因斯坦提出这样的假设:“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。”这就是“等效原理”。

爱因斯坦

爱因斯坦

  为了证明“等效原理”,爱因斯坦作了如下试验:在一部自由下落的升降机里,一个人从口袋里拿出一块手帕和一块手表,让它们从手上自然掉下,如果没有任何空气阻力或摩擦力,那么在他自己看来,这两个物体就停在他松开手的地方。因为在他的坐标系中,引力场已经被屏除了。但是,在升降机外面的观察者看来,则发现这两个物体以同样的加速度向地面落下。这个情况正揭示了引力质量和惯性质量相等。即等效原理。

  等效原理和相对性原理构成了广义相对论的基本前提,但是要彻底建成广义相对论的体系,却需要精深的数学知识。1912年,著名数学家格罗斯曼在专业上对爱因斯坦给予了无私的帮助,两人运用当时的数学最新成果,进行相对论的研究。后来,爱因斯坦在格罗斯曼的帮助下,把黎曼几何学和四维时空观引入了物理学研究领域,经过3年的艰苦探索,终于在1915年11月25日完成了广义相对论的理论创建。次年,《广义相对论的基础》一文发表。

爱因斯坦与美国物理学家欧潘海默

爱因斯坦与美国物理学家欧潘海默

  广义相对论实质上是一种引力理论。它把几何学与物理学统一起来,用空间结构的几何性质来表述引力场。爱因斯坦在广义相对论中扩展了狭义相对论的结果,建立起一些新理论:物理规律对于一切以任何形式相对运动的观察者来说都是一样的;物质存在的空间不是平坦的欧几里德空间而是弯曲的黎曼空间;某一区域的空间曲率决定于该区域的物质质量及其分布状况,而引力场的强度就体现了这种空间曲率;在引力场中的一切运动都要在时空中走短程线,光线的路程要弯曲,时钟的走时要变慢。这一系列的理论在更深一层的意义上否定了先前的绝对时空观。在哲学的认识论上,可以说这一次否定是唯物辩证的物质观、运动观、时空观对统治物理学几百年的机械时空观的革命。爱因斯坦的相对论在哲学上具有重大意义,它是科学的里程碑。

  爱因斯坦在1905年、1915年分别创立的狭义和广义相对论,是现代物理学革命的重要标志,在自然科学、哲学领域里给人类带来了深刻的影响。

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