狹義與廣義相對論淺說

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《狹義與廣義相對論淺說》這本書可以說是20世紀最偉大的科學理論，改變了人們對宇宙的認識，同時，它也是一本當代青年不可不讀的經典名著。

《狹義與廣義相對論淺說》 - 名書簡介

《狹義與廣義相對論淺說》作者：（德國）艾爾伯特·愛因斯坦（1879-1955年）類型：自然科學論著成書時間：1916年《狹義與廣義相對論淺說》 - 背景搜索

　愛因斯坦愛因斯坦是理論物理學家、數學家、相對論的創始人。他於1879年3月14日出生於德國的烏爾姆城的一個猶太家庭。愛因斯坦受家庭的影響，從小對德國的啟蒙思想非常感興趣，而對當時流行的軍國主義教育很不以為然，他在中學期間就閱讀了大量的科學書籍。1895年愛因斯坦就讀於瑞士蘇黎世聯邦工業大學。1900年畢業後愛因斯坦並沒有馬上找到工作，兩年後他才在伯爾尼的瑞士專利局做過7年的技術審查員。愛因斯坦於1905年提出了相對論的思想，發表了狹義相對論、光電效應和布朗運動等方面的論文。這些論文，特別是狹義相對論那篇，在幾年之內就使他享有世界上最傑出、最富有創造性的科學家的盛名。他的學說引起了激烈的爭論，除達爾文外沒有哪位現代科學家像愛因斯坦引起那麼多的爭論。儘管如此，他仍被任命為柏林大學教授，同時還擔任威廉物理研究所所長和普魯士科學院院士。

阿爾伯特·愛因斯坦1915年又提出了廣義相對論原理。愛因斯坦的相對論思想發表並在1919年得到證實以後，他獲得了極大的聲譽。1921年他獲得諾貝爾獎。但是當法西斯主義上台以後，愛因斯坦也無法逃過厄運。由於猶太人的身份，他在1933年不得不離開瑞士來到美國，移居新澤西州普林斯頓市。1944年他加入美國籍，後來又娶妻成家。1955年他在普林斯頓去世。愛因斯坦一生的科學研究成果非常顯著，他除了在相對論方面為20世紀的科學發展做出了巨大的貢獻之外，還在量子物理學方面有偉大的貢獻。愛因斯坦還是一位和平主義者，在二戰期間竭力反對戰爭，為維護和平做出了巨大的貢獻。愛因斯坦的主要著作有《相對論的意義》（1923年）、《布朗運動理論研究》（1926年）、《宇宙的建造者》（1932年）、《理論物理學方法》（1933年）、《物理學的進化》（與利奧波爾德·英菲爾德合著，1938年）等。《狹義與廣義相對論淺說》 - 內容精要

1934年的愛因斯坦愛因斯坦作為一個著名的科學家，不僅創造了深奧的相對論理論，而且試圖把這種深奧的科學理論讓更多的人了解，於是他寫作了《狹義與廣義相對論淺說》。這本書分為兩部分：《狹義相對論》（1905年發表），《廣義相對論》（1915年發表）。《狹義與廣義相對論淺說》是物理學科中的重要經典著作之一，也是愛因斯坦親自對他的相對論所做的大眾化解釋。愛因斯坦根據自然科學和幾何學發展狀況，批判了歐幾里得幾何，接受和運用了非歐幾何，並運用非歐幾何來建立和論證他的相對論理論。狹義相對論有兩個基本原理：第一個原理是相對性原理，即物理學定律在所有慣性系中是相同的，不存在一種特殊的慣性系。時間與空間觀念都具有相對性。一個觀察者看來是同時發生的事件，另一個向他做相對運動的觀察者看來便不是同時發生的。兩個這樣的觀察者對兩個事件之間的時間間隔的估計將會不一致，同時他們對距離的衡量也會不一致。假定兩個相對勻速運動的觀察者所得到的光速相同，那麼只要他們對時間與空間運用不同的量度，就能對於現象得到相同的自然規律，並能精確地說明這種差別有多少。換句話說， 每個觀察者都有自己一套時間———空間的框架，對於一切觀察者全都相同的絕對空間時間是不存在的。

愛因斯坦畫像第二個原理是光速不變原理，即在所有的慣性系中，真空中光的速度具有相同的值。假定一個觀察者，帶著一把碼尺和一隻座鐘，並把碼尺指向他運動的方向。當他向觀察者B旁邊走過時，在A看來他的尺子不足一碼長，他的鐘也慢了。B 相對於A的速度愈大，這差額也就愈大。假如B用光速在A的旁邊通過，我們得到的結果是驚人的，這時B的碼尺長度將等於0，他的鐘也完全不走了。這就是說光速是速度的極限，宇宙間沒有任何東西能以大於光速的速度運動。運動尺子的縮短和運動時鐘的變慢效應，都是相對論時空的基本屬性，與物體內部結構無關。如果物體速度比光速小得多，相對論力學就可解釋牛頓力學。在相對論之前，物理學中承認兩條極重要的守恆定律，一條是能量守恆定律，一條是質量守恆定律，兩條基本定律似乎彼此獨立。但通過相對論它們便可結合成一條定律，質量和能量可以變成互換的項目。一個物體如果放射出能量就會損失質量，如果接受能量就會增加質量，當一物體加快運動時，它的能量和質量都會增加，在光速的情況下，它的質量將變成無窮大。這個質量與能量的關係可以通過數學上推導，寫成一個表達式：E＝mc^2 (E為能量，N為質量，C為光速）。

愛因斯坦建立狹義相對論後，愛因斯坦看到了這個理論的局限性，因為它把相對性原理限制在兩個做相對勻速運動的慣性系裡。它否定了靜止的以太陽作為特殊的坐標系是一大進步，但實際上還沒有真正解決經典力學中的古老難題。早在200年前，伽利略就發現，所有的慣性系，對於表述力學定律都是同樣有效的，平等的，不存在任何特殊的慣性系，這就是說，任何力學實驗都無法辨別慣性系本身的運動狀態。這種運動的相對性，在古典力學中普遍存在，但在麥克思韋電動力學中不能成立，因為它只適用於靜止的坐標系。經典力學是無法回到慣性系在物理學中的優越性的，因此愛因斯坦意識到要進一步探明這個問題，就必須擴大相對性原理的應用範圍。他將自己的研究領域從慣性系拓展到了非慣性系。在古典力學中，物質有兩種質量。一是牛頓第二定律中的慣性質量，二是萬有引力定律中的引力質量。地球表面上的任何一個物體都要受到地球對它的引力，並因此會產生加速度。實驗告訴人們，一切自由落體在引力作用下都具有同樣的加速度。由此可以推算，引力質量與慣性質量是相等的。牛頓曾經研究過這個問題，但沒有得到理論上的解釋。長期以來，物理學家一直認為兩種質量相等是理所當然的，無需從理論上再加以研究。愛因斯坦經過一段時間認真思索，認識到慣性質量與引力質量相等是解決引力問題的關鍵。以兩種質量相等為基礎，他提出著名的等效原理：一個加速系統所看到的運動與存在引力場的慣性系統所看到的運動完全相同。愛因斯坦說：完全等效性這一假說，使我們不能說任何參照系有絕對速度一樣，並且它使一切在引力場中等加速下落成為當然的事。在「等效原理」的基礎上，他又進一步提出了「廣義協變原理」：在任何參照系中，物理學規律的數學形式是相同的。就這樣，他把相對性原理從慣性系推廣到非慣性系。正因為「廣義協變原理」是狹義相對論的相對性原理的一種推廣，所以愛因斯坦把這種引力理論稱為「廣義相對論」。

流亡美國的愛因斯坦廣義相對論實質上是一種引力理論，在有引力場的區域，空間的性質不再服從歐幾里得幾何，而遵循著非歐幾何。比如19世紀德國數學家黎曼所建立的黎曼幾何學就是非歐幾何學的一種，它描寫了非平直空間的性質。愛因斯坦最終選擇了黎曼的嚴格非歐幾何作為廣義相對論的時空模型。他認為，現實的物質空間不是平直的歐幾里得空間，而是彎曲的黎曼空間。空間的彎曲程度取決於物質的質量及其在空間的幾何分布情況。物質密度大的地方，則引力場的強度也大，時空就彎曲得厲害。所以把絕對真空看作一個物理實體是毫無意義的。很顯然，廣義相對論所揭示的物質同時空的關係，比起狹義相對論來更為深刻。因為時空的性質不僅取決於物質的運動，而且更重要的是取決於物質本身的分布。這就從新的高度徹底否定了牛頓的絕對時空觀。廣義相對論把幾何學與物理學統一起來，用空間結構的幾何性質來表述引力場。它同牛頓的引力論有本質的不同，但在日常人們接觸到的現象中卻分辨不出兩者結果的差異。愛因斯坦提供了三個可供實驗驗證的推論。第一是水星軌道近日點的進動。第二，光線在引力場中的偏轉。第三，在強引力場中，時鐘要走得慢些，因此從巨大質量的星體表面射到地球上的光的譜線，必定顯得要向光譜的紅端移動。這在1925年得到觀測驗證。《狹義與廣義相對論淺說》 - 專家點評

少年愛因斯坦1905年，一位供職於瑞士國家專利局、名叫愛因斯坦的26歲德國人，在德國科學雜誌《物理年報》上連續發表了三篇論文。其中《論運動物體的電動力學》，提出了根本有別於傳統觀念的空間、時間理論，而在當時，它只在德國引起了一些反響，並沒有得到其他絕大多數物理學家的注意。今天，人們評價說，這3篇論文代表了世界理論物理學方面最重要的成就，即使作者此前從未寫過一個字，僅憑這三篇文章也足以成為偉人。愛因斯坦成了「天才」的代名詞。「天才」並不是一蹴而就的，19世紀末20世紀初，自然科學取得了巨大的成就，電子理論、量子物理學相繼創立，興起了現代物理學革命。與此同時，在數學領域也出現了黎曼幾何，打破了長期占統治地位的歐幾里得幾何。這一切都為愛因斯坦創立相對論奠定了堅實的基礎。愛因斯坦一改以往人們頭腦中的觀念，論證了時間和空間是相對的，只有獨立於觀察者之外的光速是個常數。愛因斯坦證明，當物體的速度接近光速時，其長度就會減小，質量就會增加，時間就會放慢。由此推論，假如物體的速度與光的速度相同時，其長度為0，質量不會再增加，而且時間也就停止了。愛因斯坦根據這種不可能性得出了一個結論：任何物體都不會以光速和超過光速運動。這項被稱為「相對論」的理論彌補了牛頓物理學長達兩個世紀的不足，愛因斯坦將時間與空間相結合，創立了新的四維宇宙空間的學說。

青年愛因斯坦但愛因斯坦認為狹義相對論還存在有一定的缺陷，所以，他決定進一步地發展相對論的理論。大物理學家普朗克曾經對愛因斯坦建立狹義相對論給予強有力的支持，但他認為建立狹義相對論後問題就解決了，所以他對愛因斯坦說：「現在一切都明白地解釋了，您為什麼又忙於另一個問題(指廣義相對論）呢？」愛因斯坦不顧朋友的勸告，仍然單獨進行深入的、刻苦的研究，最終建立了廣義相對論。這一次，愛因斯坦把「物質」的概念引入了他的相對論中，他認為，物質也是空間的一種屬性，同樣與時間密不可分。廣義相對論在全球科學界引起了震動，質疑也接踵而來。愛因斯坦的相對論，完全是靠個人的非凡智慧完成的純理論探索，他所有的假說都不是源於觀察，而是來自推測，能夠驗證它的實驗非常之少。為此，有人甚至感慨：「廣義相對論是何等美麗的理論，可是實驗卻少到令人羞愧。」有人則說，廣義相對論是理論物理學家的天堂，實驗物理學家的地獄。相對於那些終其一生而不被承認的偉大天才而言，愛因斯坦是幸運的。依據相對論，愛因斯坦預言，當一束光線通過太陽表面時，它的彎曲程度將是牛頓力學及其所解釋的彎曲程度的兩倍。在相對論提出後僅3年，在1919年出現的一次日食中，他的假說便得到驗證。這使廣義相對論頃刻間聞名於世。

愛因斯坦教授相對論徹底改變了人們對時空觀的認知，帶來了整個物理學的革命。然而對大多數人來說，理解這樣的一套理論體系還是頗費一番腦筋的。愛因斯坦為了讓更多的人了解相對論的思想，樂於寫普及大眾的讀物來介紹這20世紀最偉大的科學發現之一。他專門寫了《狹義與廣義相對論淺說》這本小冊子，文章很少涉及到數學和科學引證，邏輯性自然而完美，人們驚嘆：「好像有誰已經給作者看過宇宙的運行過程，而他只是把所看到的記錄下來而已。」愛因斯坦顯然十分喜歡這項工作，不斷地修訂再版，直到他去世前3年，即1952年，這本書已經出到了它的第15版。愛因斯坦的《狹義與廣義相對論淺說》是人類科學史上一部劃時代的著作，它提出了一套嶄新的科學理論，引起了科學史上的偉大變革，對整個人類思想的發展都產生了巨大的深遠的影響。愛因斯坦在這本書中深刻地揭示了時間和空間的本質屬性，論證了時間和空間的內在聯繫和統一性；同時也發展和改造了牛頓力學，使之適用於更廣闊範圍的力學現象，揭示了質量和能量之間的內在聯繫，以及力學和電磁學的統一性，對引力提出了全新的解釋，回答並解決了時間和空間的對稱性問題，使人們對世界的研究發展到了一個新的階段。

相對論曾任英國皇家學會會長的湯姆森,1919年說：愛因斯坦的理論是「人類思想史中最偉大的成就之一」，「它不是發現一個外圍的島嶼，而是發現整個科學新思想的大陸」。物理學家狄拉克認為愛因斯坦的引力理論 「大概是人類已經做出的最偉大的科學發現」。相對論不僅引起了時空觀的革命，也帶來了整個物理學的革命，產生了深遠的影響。其中最突出的，是關於物體的質量和能量相對性的推論，即E＝mc^2 。這為以後原子彈的製造、核能的和平利用打下了理論基礎。用愛因斯坦的話來說，他的一生躊躇於政治和方程式之間。作為一個和平愛好者，他當然能夠預見原子彈的巨大威力，一度反對在自己理論的基礎上發展核武器。但是當他見到納粹的暴行時，他放棄了自己原先的想法，在1939年致函羅斯福總統，指出了製造原子武器的可能性，強調了美國搶在德國前面造出這種武器的重要意義。就是這封信促進了曼哈頓工程的建立，導致了第一顆原子彈的發射。連愛因斯坦自己也沒有想過，自己腦袋中思考的理論，有一天會產生如此巨大的威力。

阿爾伯特·愛因斯坦作為一個猶太人，他於1952年聲明支持猶太復國主義運動。以色列建國時，曾邀請他出任總理，愛因斯坦拒絕了，他認為自己在政治上太天真。也許其真正的原因卻並非如此，還是聽一聽他曾經說過的話：「方程對我而言更重要些，因為政治是為當前，而一個方程卻是一種永恆的東西。」確實如此，愛因斯坦精巧對稱的數學方程夯實了他的理論大廈，他的學說到目前為止經受住了各種檢驗。就現在的情況來說，無論從理論還是從實驗來看，愛因斯坦的相對論所得出的推論都近似正確。未來的實驗可能會打破這一學說的完美紀錄，但到目前為止，它仍是最接近於科學家設想過的真理極限。相對論不僅是20世紀科學理論的一項重大發展，而且也體現了20世紀人類在世界觀方面的許多基本概念的激烈變革，這場從物理學開始的變革，迅速蔓延到各個學科領域促成了各門科學理論的飛快發展。《狹義與廣義相對論淺說》 - 妙語佳句寬容意味著尊重別人的各種信念。《狹義與廣義相對論淺說》 - 相關詞條愛恩斯坦；自然科學；美國；相對論；科學理論《狹義與廣義相對論淺說》 - 相關資料《愛恩斯坦評傳》；《愛恩斯坦傳》；《愛因斯坦文集》《狹義與廣義相對論淺說》 - 詞條分類愛恩斯坦；自然科學；美國；相對論；科學理論；世界歷史名書；傳世經典文學《狹義與廣義相對論淺說》 - 相關鏈接http://tech.163.com/05/0118/17/1AD8DOIG0009153U.htmlhttp://www.chinabaike.com/article/1/262/2007/2007021644470.htmlhttp://tieba.baidu.com/f?kz=140117838http://www.people.com.cn/GB/news/37146/45769/3320408.htmlhttp://www.pep.com.cn/czls/xszx/lsrw/lsszyyx/200406/t20040629_93014.htm
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