爱因斯坦和相对论的诞生与发展

第24卷第7期2005年7月大　学　物　理COLLEGE　PHYSICSVol.24No.7July.2005

国际物理年专稿　

爱因斯坦和相对论的诞生与发展

赵　峥

(北京师范大学物理系,北京　100875)

　　摘要:简要介绍了爱因斯坦的生平和相对论的创立与发展,以及相对论研究的现状与面临的困难.

关键词:爱因斯坦;相对论;宇宙学;黑洞

中图分类号:O4-09　　　文献标识码:E　　　文章编号:100020712(2005)0720004203

　　阿尔伯特・爱因斯坦(A.Einstein)1879年3月14日诞生于德国乌尔姆城一个犹太工厂主的家庭,

1896年,爱因斯坦考入苏黎士工业大学的数学

物理师资班.,经常不去上课,、亥.爱因斯坦并,,或是和要好的同学到咖啡馆交流学习心得.在同学格罗斯曼和米列娃・玛

里奇(一位有残疾的塞尔维亚姑娘)的帮助下,爱因斯坦顺利地通过了毕业考试,但在求职时却遇到了严重困难.数学教授闵可夫斯基对爱因斯坦没有印象,物理教授韦伯倒是对他有印象,但没什么好印象.格罗斯曼与另一位同学被闵可夫斯基留下来做数学助教,爱因斯坦原以为韦伯会留下自己做物理助教,但韦伯并没有要他,而是从工程系选了另外两个毕业生做自己的助手.爱因斯坦去其他高校求职时也四处碰壁,竟然困难到不得不在电线杆上贴广告寻求工作的地步.

1902年,幸运之神终于降临,爱因斯坦的好友

在慕尼黑度过了中、小学生涯.他爱好音乐,喜欢独立思考和阅读课外书籍,特别爱好科普读物,但不喜法..统、,喜爱,.

爱因斯坦的父亲是个不成功的小厂主,在经营工厂失败后,举家迁往意大利投亲靠友,只将爱因斯坦一人留在慕尼黑,安排进那里的一所重点中学学习.爱因斯坦对这所学校的管理和教学方式十分厌倦.校方也认为这个持怀疑主义、无神论观点而且学习又不太好的犹太学生有损学校的声誉.1894年,学校当局终于按捺不住,劝他退学.在感到震惊之后,爱因斯坦接受了校方的建议,退学前往意大利,投奔先期到达那里的父母.

1895年爱因斯坦报考苏黎士工业大学失败,进

格罗斯曼通过自己的父亲把他推荐到伯尔尼发明专利局工作,使爱因斯坦的生活稳定下来.1903年,爱因斯坦勉强平息了父母的反对,与米列娃结了婚,并很快有了两个儿子.爱因斯坦在专利局大规模地展开了自己的科学研究,他的好友、著名数学家希尔伯特声称“:没有比发明专利局对爱因斯坦更合适的工作单位了”.这是因为专利局工作不多,给了爱因斯坦充分的可以自由支配的时间.

爱因斯坦最初研究毛细现象,转而研究布朗运

入瑞士阿劳州立中学补习了一年.瑞士的学校与德国不同,比较注意培养学生的自主能力、独立精神和创造力,师生间能够自由探讨,并且相互尊重.爱因斯坦一辈子对学校有好印象的只有这一年的补习班,他在晚年回忆阿劳中学时写道“:这所学校用它的自由精神和不依赖外界权威的教师的纯朴热情……,培养了我的独立精神和创造精神,正是阿劳中学,成为了孕育狭义相对论思想的土壤.”

　收稿日期:2005-02-24

　基金项目:国家自然科学基金资助项目(10373003,10475013);国家基础研究资助项目(973)(2003CB716300)

),男,江西萍乡人,北京师范大学物理系教授,博士生导师,曾任中国引力与相对论天体物理学会理事长,现为中国物　作者简介:赵峥(1943—

理学会理事.

第7期　　赵　峥:爱因斯坦和相对论的诞生与发展　5

动和电磁理论,他1901年发表了一篇论文,1902年

两篇,1903年一篇,1904年一篇.1905年是爱因斯坦的丰收年,除去博士论文(测定分子大小)外,还完成了四篇重要论文:3月提出光子说,解释了光电效应;5月用气体动理论解释了布朗运动,证实了分子的存在;6月完成狭义相对论的开创论文《论运动物体的电动力学》;9月提出质能关系E=mc2.今天看来,这四项工作中的任何一项都足以荣获诺贝尔物理学奖[1,2].

1900年之前,电磁理论与绝对时空观之间的矛盾已经显现.光行差现象表明以太相对于地球有漂移,而迈克耳孙实验却没有测到这一漂移.1892年前后,洛伦兹和斐兹杰惹提出了刚尺在相对于绝对空间运动时会发生收缩(即洛伦兹收缩)的假设,用来解释迈克耳孙实验造成的困难.1902年洛伦兹进一步给出了洛伦兹变换.在此期间,其他一些学者还在个别领域得出了运动时钟变慢的效应,围内得到了质能关系式等等.孤立的,～5]1905年,差现象的矛盾之后,接受马赫的相对运动观,在不知道洛伦兹等人工作的情况下,以“相对性原理”和“光速不变原理”为基础,提出了自己的新理论,重新导出了洛伦兹变换.

此变换虽然在数学表达上与洛伦兹的结果一样,但物理解释却全然不同.洛伦兹认为自己的变换是相对绝对空间(即以太)静止的参考系与运动惯性系之间的变换,式中的速度v是相对于绝对空间运动的速度,洛伦兹收缩是相对于绝对空间运动造成的效应.爱因斯坦则认为根本不存在绝对空间和以太,洛伦兹变换是任意两个作相对运动的惯性系之间的变换,速度v是两个惯性系之间的相对速度,洛伦兹收缩也是相对的,双方都会认为对方的尺缩短.洛伦兹最初反对爱因斯坦的新理论,为了区分自己的理论和爱因斯坦的理论,他给爱因斯坦的理论起了个名字叫“相对论”.爱因斯坦和整个学术界都欣然接受了这一命名.

1915年,爱因斯坦在长期考虑“惯性系无法定义”及“万有引力定律无法纳入相对论框架”这两个严重困难之后,在马赫思想的启发下,在等效原理和广义相对性原理的基础上,把相对论发展成广义相对论,回过头来,他又把原有的洛伦兹命名的相对论称为狭义相对论.

广义相对论是时间、空间和引力的理论,它把万

有引力解释为时空的弯曲,是人类历史上第一个把

时空和物质联系在一起的理论.爱因斯坦高度评价自己的广义相对论.他说“:狭义相对论如果我不发表,5年之内就会有人发表,广义相对如果我不发表,50年之内也不会有人发表”.

爱因斯坦运用相对论开创了现代宇宙学的研究[6～9].

1917年,爱因斯坦在场方程中引入宇宙项,得到一个静态、均匀的、有限无边的宇宙模型.

1922年,弗里德曼运用不带宇宙项的场方程得到膨胀或脉动的宇宙模型.这一模型曾遭到过爱因斯坦的拒绝,但由于得到1929年发现的哈勃定律的有力支持,而最终被学术界(包括爱因斯坦本人)所接受.

1948年,,这一

1965.

,,克服.

近年来,观测发现宇宙膨胀过程可能存在加速与减速的交替,目前的宇宙似乎处于加速膨胀阶段,于是人们提出存在暗物质和暗能量的假设,我们通常认识的物质似乎只占宇宙总质量的不到5%.

暗物质与暗能量的研究不仅可能导致新物质形态的发现,而且可能导致对广义相对论的修改与发展.

相对论的另一重大成就是关于黑洞的预言[10～12].

1790年前后,米歇尔与拉普拉斯等人就曾用牛顿力学理论预言过黑洞.1939年,奥本海默用广义相对论再次预言了黑洞的存在.这一预言虽然曾遭到爱因斯坦等人的反对,但由于Kerr解的导出和中子星的发现,黑洞理论在20世纪60—80年代取得了重大进展.特别是黑洞热力学与霍金辐射的提出,揭示了万有引力、量子力学与热力学之间存在的深刻而本质的联系,为物理学的进一步发展竖起了新的重要的里程碑.

虽然爱因斯坦的相对论取得了重要的进展,但它仍存在一系列尚待解决的困难和问题,例如:广义相对论只有为数不多的实验验证;引力波还没能直接探测到;黑洞的存在尚未在观测上确认;暗物质、暗能量还是一团谜雾;黑洞蒸发中的信息佯谬仍在争论中;广义相对论存在严重的奇性困难(即时空奇点不可避免);引力场量子化至今尚未成功;相对论与量子论、热力学之间还存在矛盾等等.

只要理论还在发展,困难就是不可避免的,而正

　6大　学　物　理　　

商务印书馆,1979.

第24卷

是这些困难在促进理论的发展.

由于爱因斯坦对物理学的伟大贡献,他荣获了1921年度的诺贝尔物理学奖,然后因当时学术界对

[2]　StachelJ.爱因斯坦奇迹年[M].范岱年,许良英译.上

海:上海科技教育出版社,2001.

[3]　爱因斯坦A.相对论的意义[M].北京:科学出版社,

1961.

[4]　爱因斯坦A.,洛伦兹H,闵可夫斯基H,等.相对论原

相对论的认识不统一,诺贝尔奖评委会便把获奖原

因写为“由于解释光电效应和在物理学其他方面的成就……”,而没有明确提到相对论.

对于自己为什么能取得如此巨大的学术成就,爱因斯坦曾经说过“:我没有什么特别的才能,只不过喜欢刨根问底追究问题罢了”.“空间、时间是什么,别人在很小的时候就搞清楚了,我智力发展迟缓,长大了还没有搞清楚,于是一直在揣摩这个问题,结果也就比别人钻研得更深一些.”

爱因斯坦在希特勒掌权之后,受到法西斯政权的迫害,于1933年迁居美国,担任普林斯顿高级研究所的研究员,此后,爱因斯坦一直从事统一场论的研究.二战期间,为了战胜法西斯,他曾写信给美国总统罗斯福,促成了美国的原子弹研究计划.后,.

1955年4月18,.理[M].赵志田,刘一贯,昭昭英译.北京:科学出版社,

1980.

[5]　张元仲.狭义相对论实验基础[M].北京:科学出版社,

1994.

[6]　霍金S.时间简史[M].许明贤,吴忠超译.长沙:湖南科

学技术出版社,1994.

[7]　霍金S,彭若斯R.时空本性[M].杜欣欣,吴忠超译.长

沙:湖南科学技术出版社,1996.

[8]　刘辽,赵峥.广义相对论[].北京:高等教育出版社,

[　.北京:北京大学出版社,

[][M].太原:山西科学技术出

版社,2001.

[11]　索恩S.黑洞与时间弯曲[M].长沙:湖南科学技术出

良的品质.代物理学的发展和新一代知识分子的成长.

版社,2000.

[12]　卢米涅J.黑洞[M].卢炬甫译.长沙:湖南科学技术出

版社,1997.

参考文献:

[1]　许良英,范岱年,赵中立,等.爱因斯坦文集[M].北京:

A.Einsteinandthebirthanddevelopmentofrelativity

ZHAOZheng

(DepartmentofPhysics,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Abstract:ThebriefaccountofA.Einsteinandthebirthanddevelopmentofrelativityareintroduced.Thecurrentsituationandthepresentdifficultyonstudyingrelativityareshown.

Keywords:A.Einstein;relativity;cosmology;blackhole

第24卷第7期2005年7月大　学　物　理COLLEGE　PHYSICSVol.24No.7July.2005

国际物理年专稿　

爱因斯坦和相对论的诞生与发展

赵　峥

(北京师范大学物理系,北京　100875)

　　摘要:简要介绍了爱因斯坦的生平和相对论的创立与发展,以及相对论研究的现状与面临的困难.

关键词:爱因斯坦;相对论;宇宙学;黑洞

中图分类号:O4-09　　　文献标识码:E　　　文章编号:100020712(2005)0720004203

　　阿尔伯特・爱因斯坦(A.Einstein)1879年3月14日诞生于德国乌尔姆城一个犹太工厂主的家庭,

1896年,爱因斯坦考入苏黎士工业大学的数学

物理师资班.,经常不去上课,、亥.爱因斯坦并,,或是和要好的同学到咖啡馆交流学习心得.在同学格罗斯曼和米列娃・玛

里奇(一位有残疾的塞尔维亚姑娘)的帮助下,爱因斯坦顺利地通过了毕业考试,但在求职时却遇到了严重困难.数学教授闵可夫斯基对爱因斯坦没有印象,物理教授韦伯倒是对他有印象,但没什么好印象.格罗斯曼与另一位同学被闵可夫斯基留下来做数学助教,爱因斯坦原以为韦伯会留下自己做物理助教,但韦伯并没有要他,而是从工程系选了另外两个毕业生做自己的助手.爱因斯坦去其他高校求职时也四处碰壁,竟然困难到不得不在电线杆上贴广告寻求工作的地步.

1902年,幸运之神终于降临,爱因斯坦的好友

在慕尼黑度过了中、小学生涯.他爱好音乐,喜欢独立思考和阅读课外书籍,特别爱好科普读物,但不喜法..统、,喜爱,.

爱因斯坦的父亲是个不成功的小厂主,在经营工厂失败后,举家迁往意大利投亲靠友,只将爱因斯坦一人留在慕尼黑,安排进那里的一所重点中学学习.爱因斯坦对这所学校的管理和教学方式十分厌倦.校方也认为这个持怀疑主义、无神论观点而且学习又不太好的犹太学生有损学校的声誉.1894年,学校当局终于按捺不住,劝他退学.在感到震惊之后,爱因斯坦接受了校方的建议,退学前往意大利,投奔先期到达那里的父母.

1895年爱因斯坦报考苏黎士工业大学失败,进

格罗斯曼通过自己的父亲把他推荐到伯尔尼发明专利局工作,使爱因斯坦的生活稳定下来.1903年,爱因斯坦勉强平息了父母的反对,与米列娃结了婚,并很快有了两个儿子.爱因斯坦在专利局大规模地展开了自己的科学研究,他的好友、著名数学家希尔伯特声称“:没有比发明专利局对爱因斯坦更合适的工作单位了”.这是因为专利局工作不多,给了爱因斯坦充分的可以自由支配的时间.

爱因斯坦最初研究毛细现象,转而研究布朗运

入瑞士阿劳州立中学补习了一年.瑞士的学校与德国不同,比较注意培养学生的自主能力、独立精神和创造力,师生间能够自由探讨,并且相互尊重.爱因斯坦一辈子对学校有好印象的只有这一年的补习班,他在晚年回忆阿劳中学时写道“:这所学校用它的自由精神和不依赖外界权威的教师的纯朴热情……,培养了我的独立精神和创造精神,正是阿劳中学,成为了孕育狭义相对论思想的土壤.”

　收稿日期:2005-02-24

　基金项目:国家自然科学基金资助项目(10373003,10475013);国家基础研究资助项目(973)(2003CB716300)

),男,江西萍乡人,北京师范大学物理系教授,博士生导师,曾任中国引力与相对论天体物理学会理事长,现为中国物　作者简介:赵峥(1943—

理学会理事.

第7期　　赵　峥:爱因斯坦和相对论的诞生与发展　5

动和电磁理论,他1901年发表了一篇论文,1902年

两篇,1903年一篇,1904年一篇.1905年是爱因斯坦的丰收年,除去博士论文(测定分子大小)外,还完成了四篇重要论文:3月提出光子说,解释了光电效应;5月用气体动理论解释了布朗运动,证实了分子的存在;6月完成狭义相对论的开创论文《论运动物体的电动力学》;9月提出质能关系E=mc2.今天看来,这四项工作中的任何一项都足以荣获诺贝尔物理学奖[1,2].

1900年之前,电磁理论与绝对时空观之间的矛盾已经显现.光行差现象表明以太相对于地球有漂移,而迈克耳孙实验却没有测到这一漂移.1892年前后,洛伦兹和斐兹杰惹提出了刚尺在相对于绝对空间运动时会发生收缩(即洛伦兹收缩)的假设,用来解释迈克耳孙实验造成的困难.1902年洛伦兹进一步给出了洛伦兹变换.在此期间,其他一些学者还在个别领域得出了运动时钟变慢的效应,围内得到了质能关系式等等.孤立的,～5]1905年,差现象的矛盾之后,接受马赫的相对运动观,在不知道洛伦兹等人工作的情况下,以“相对性原理”和“光速不变原理”为基础,提出了自己的新理论,重新导出了洛伦兹变换.

此变换虽然在数学表达上与洛伦兹的结果一样,但物理解释却全然不同.洛伦兹认为自己的变换是相对绝对空间(即以太)静止的参考系与运动惯性系之间的变换,式中的速度v是相对于绝对空间运动的速度,洛伦兹收缩是相对于绝对空间运动造成的效应.爱因斯坦则认为根本不存在绝对空间和以太,洛伦兹变换是任意两个作相对运动的惯性系之间的变换,速度v是两个惯性系之间的相对速度,洛伦兹收缩也是相对的,双方都会认为对方的尺缩短.洛伦兹最初反对爱因斯坦的新理论,为了区分自己的理论和爱因斯坦的理论,他给爱因斯坦的理论起了个名字叫“相对论”.爱因斯坦和整个学术界都欣然接受了这一命名.

1915年,爱因斯坦在长期考虑“惯性系无法定义”及“万有引力定律无法纳入相对论框架”这两个严重困难之后,在马赫思想的启发下,在等效原理和广义相对性原理的基础上,把相对论发展成广义相对论,回过头来,他又把原有的洛伦兹命名的相对论称为狭义相对论.

广义相对论是时间、空间和引力的理论,它把万

有引力解释为时空的弯曲,是人类历史上第一个把

时空和物质联系在一起的理论.爱因斯坦高度评价自己的广义相对论.他说“:狭义相对论如果我不发表,5年之内就会有人发表,广义相对如果我不发表,50年之内也不会有人发表”.

爱因斯坦运用相对论开创了现代宇宙学的研究[6～9].

1917年,爱因斯坦在场方程中引入宇宙项,得到一个静态、均匀的、有限无边的宇宙模型.

1922年,弗里德曼运用不带宇宙项的场方程得到膨胀或脉动的宇宙模型.这一模型曾遭到过爱因斯坦的拒绝,但由于得到1929年发现的哈勃定律的有力支持,而最终被学术界(包括爱因斯坦本人)所接受.

1948年,,这一

1965.

,,克服.

近年来,观测发现宇宙膨胀过程可能存在加速与减速的交替,目前的宇宙似乎处于加速膨胀阶段,于是人们提出存在暗物质和暗能量的假设,我们通常认识的物质似乎只占宇宙总质量的不到5%.

暗物质与暗能量的研究不仅可能导致新物质形态的发现,而且可能导致对广义相对论的修改与发展.

相对论的另一重大成就是关于黑洞的预言[10～12].

1790年前后,米歇尔与拉普拉斯等人就曾用牛顿力学理论预言过黑洞.1939年,奥本海默用广义相对论再次预言了黑洞的存在.这一预言虽然曾遭到爱因斯坦等人的反对,但由于Kerr解的导出和中子星的发现,黑洞理论在20世纪60—80年代取得了重大进展.特别是黑洞热力学与霍金辐射的提出,揭示了万有引力、量子力学与热力学之间存在的深刻而本质的联系,为物理学的进一步发展竖起了新的重要的里程碑.

虽然爱因斯坦的相对论取得了重要的进展,但它仍存在一系列尚待解决的困难和问题,例如:广义相对论只有为数不多的实验验证;引力波还没能直接探测到;黑洞的存在尚未在观测上确认;暗物质、暗能量还是一团谜雾;黑洞蒸发中的信息佯谬仍在争论中;广义相对论存在严重的奇性困难(即时空奇点不可避免);引力场量子化至今尚未成功;相对论与量子论、热力学之间还存在矛盾等等.

只要理论还在发展,困难就是不可避免的,而正

　6大　学　物　理　　

商务印书馆,1979.

第24卷

是这些困难在促进理论的发展.

由于爱因斯坦对物理学的伟大贡献,他荣获了1921年度的诺贝尔物理学奖,然后因当时学术界对

[2]　StachelJ.爱因斯坦奇迹年[M].范岱年,许良英译.上

海:上海科技教育出版社,2001.

[3]　爱因斯坦A.相对论的意义[M].北京:科学出版社,

1961.

[4]　爱因斯坦A.,洛伦兹H,闵可夫斯基H,等.相对论原

相对论的认识不统一,诺贝尔奖评委会便把获奖原

因写为“由于解释光电效应和在物理学其他方面的成就……”,而没有明确提到相对论.

对于自己为什么能取得如此巨大的学术成就,爱因斯坦曾经说过“:我没有什么特别的才能,只不过喜欢刨根问底追究问题罢了”.“空间、时间是什么,别人在很小的时候就搞清楚了,我智力发展迟缓,长大了还没有搞清楚,于是一直在揣摩这个问题,结果也就比别人钻研得更深一些.”

爱因斯坦在希特勒掌权之后,受到法西斯政权的迫害,于1933年迁居美国,担任普林斯顿高级研究所的研究员,此后,爱因斯坦一直从事统一场论的研究.二战期间,为了战胜法西斯,他曾写信给美国总统罗斯福,促成了美国的原子弹研究计划.后,.

1955年4月18,.理[M].赵志田,刘一贯,昭昭英译.北京:科学出版社,

1980.

[5]　张元仲.狭义相对论实验基础[M].北京:科学出版社,

1994.

[6]　霍金S.时间简史[M].许明贤,吴忠超译.长沙:湖南科

学技术出版社,1994.

[7]　霍金S,彭若斯R.时空本性[M].杜欣欣,吴忠超译.长

沙:湖南科学技术出版社,1996.

[8]　刘辽,赵峥.广义相对论[].北京:高等教育出版社,

[　.北京:北京大学出版社,

[][M].太原:山西科学技术出

版社,2001.

[11]　索恩S.黑洞与时间弯曲[M].长沙:湖南科学技术出

良的品质.代物理学的发展和新一代知识分子的成长.

版社,2000.

[12]　卢米涅J.黑洞[M].卢炬甫译.长沙:湖南科学技术出

版社,1997.

参考文献:

[1]　许良英,范岱年,赵中立,等.爱因斯坦文集[M].北京:

A.Einsteinandthebirthanddevelopmentofrelativity

ZHAOZheng

(DepartmentofPhysics,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Abstract:ThebriefaccountofA.Einsteinandthebirthanddevelopmentofrelativityareintroduced.Thecurrentsituationandthepresentdifficultyonstudyingrelativityareshown.

Keywords:A.Einstein;relativity;cosmology;blackhole