相對論的建立和發(fā)展

§7.1

歷史背景第七章相對論的建立和發(fā)展§7.2

愛因斯坦創(chuàng)建狹義相對論的經(jīng)過§7.3

狹義相對論的遭遇和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)§7.4

廣義相對論的建立§7.5

廣義相對論的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)相對論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突然劃出一道道十分強(qiáng)烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域。”

——德布羅意§7.1

歷史背景相對論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各有關(guān)分支又一次綜合的結(jié)果。19世紀(jì)后半葉，光速的精確測定為光速的不變性提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。從電磁理論出發(fā)，光速的不變性是很自然的結(jié)論。然而這個(gè)結(jié)論卻與力學(xué)中的伽利略變換抵觸。1.牛頓力學(xué)時(shí)空觀絕對的，真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自己流逝著，并由于它的本性而均勻的與任何外界對象無關(guān)的流逝。——牛頓絕對空間，就其本質(zhì)來說，獨(dú)立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動(dòng)的?！ｎD2、邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)由于人們把“以太”選作絕對靜止的參照系，因此在19世紀(jì)，人們熱衷于尋找出地球相對于以太的絕對速度。1881年，美國人邁爾耳遜設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是卻得到“0”結(jié)果。1887年邁爾耳遜和莫雷合作，又重復(fù)實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然是“零結(jié)果”。根據(jù)這一結(jié)果，“以太”顯然是一廂情愿的設(shè)想，盡管不斷改進(jìn)，但結(jié)論卻相同?！耙蕴钡母拍钭钤绯霈F(xiàn)在笛卡爾于1644年發(fā)表的《哲學(xué)原理》一書中。按笛卡爾的觀點(diǎn)，“虛空”是不可能存在的，整個(gè)宇宙充滿著一種易動(dòng)的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是“以太”。

17世紀(jì)，惠更斯也用了“以太”的說法。麥克斯韋也援用“以太”的概念。他把“以太”看成電磁場的物質(zhì)基礎(chǔ),認(rèn)為電磁現(xiàn)象是“以太”運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。3、真空中的光速根據(jù)麥克斯韋的電磁理論，光速“c”應(yīng)為一常數(shù)，與牛頓力學(xué)的速度疊加法則相矛盾。

4、物理學(xué)家面臨的選擇要么對牛頓力學(xué)做一些顧此失彼的解釋，修修補(bǔ)補(bǔ)，要么徹底拋棄，建立新的理論。法國著名科學(xué)家彭加勒（HenriPoincarè）對洛侖茲理論起過積極作用。他在1895年就對用長度收縮假說解釋以太漂移的零結(jié)果表示不同看法。他提出了相對性原理的概念，認(rèn)為物理學(xué)的基本規(guī)律應(yīng)該不隨坐標(biāo)系變化。他的批評促使洛侖茲提出時(shí)空變換的方程式。1904年彭加勒正式表述了相對性原理。他在一次演說中講道：“根據(jù)這個(gè)原理，無論對于固定的觀察者還是對于正在作勻速運(yùn)動(dòng)的觀察者，物理定律應(yīng)該是相同的。因此沒有任何實(shí)驗(yàn)方法可以用來識(shí)別我們自身是否處于勻速運(yùn)動(dòng)之中?！迸砑永者€對洛侖茲理論進(jìn)行加工整理，使它的數(shù)學(xué)形式更加簡潔。然而彭加勒也沒有跳出絕對時(shí)空觀的框架。§7.2

愛因斯坦創(chuàng)建狹義相對論的經(jīng)過愛因斯坦是德國人，有猶太血統(tǒng)，1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世工業(yè)大學(xué)，1901年入瑞士國籍，大學(xué)畢業(yè)兩年后才在伯爾尼瑞士專利局找到技術(shù)員的工作。就在專利局工作期間，1905年頭幾個(gè)月一連發(fā)表了四篇重要論文，分別在輻射理論、分子運(yùn)動(dòng)論和力學(xué)與電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論等三個(gè)不同的領(lǐng)域提出了新的見解。其中《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文更具有劃時(shí)代的意義，文中第一次提出了嶄新的時(shí)間空間理論，一舉解決了光速的不變性與速度合成法則之間的矛盾以及電磁理論中的不對稱等難題。愛因斯坦把這個(gè)理論稱為相對性理論，簡稱相對論，后來又叫狹義相對論。一、走在愛因斯坦前面的人人名貢獻(xiàn)影響麥克斯韋創(chuàng)建電磁理論赫茲修改麥克斯韋方程佛格特1887年提出佛格特變換，與洛倫茲變換相似洛倫茲知道佛格特的工作，但沒有足夠注意。拉摩拉摩進(jìn)動(dòng)和拉摩變換費(fèi)茲杰惹獨(dú)立地提出洛倫茲變換洛倫茲提出電子論和洛倫茲變換愛因斯坦讀過洛倫茲1895年的著作彭家勒提出相對性原理1879年年3月月14日生生于德德國烏烏爾姆姆一個(gè)個(gè)猶太太人家家庭。。父父親是是小商商人，，母親親是鋼鋼琴家家。上上學(xué)后后，成成績平平平，，但愛愛動(dòng)腦腦筋，，12歲曾曾證明明勾股股定理理。1896年年，愛愛因斯斯坦正正式成成為一一個(gè)無無國籍籍的人人，并并考進(jìn)進(jìn)了聯(lián)聯(lián)邦工工業(yè)大大學(xué)。。大學(xué)學(xué)期間間，愛愛因斯斯坦迷迷上了了物理理學(xué)，，一方方面，，他閱閱讀了了德國國著名名物理理學(xué)家家基爾爾霍夫夫、赫赫茲等等人的的著作作，鉆鉆研了了麥克克斯韋韋的電電磁理理論和和馬赫赫的力力學(xué)，，并經(jīng)經(jīng)常去去理論論物理理學(xué)教教授的的家中中請教教。另另一方方面，，他的的大部部分時(shí)時(shí)間是是去物物理實(shí)實(shí)驗(yàn)室室去做做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)，迷迷戀于于直接接觀察察和測測量。。二、愛愛因斯斯坦簡簡介愛因斯斯坦在在蘇黎黎世聯(lián)聯(lián)邦工工業(yè)大大學(xué)的的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室里里做過過許多多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)，這這是他他用過過的儀儀器愛因斯坦坦少年時(shí)時(shí)期就對對哲學(xué)有有興趣。?？档碌牡摹都兇獯饫硇耘小?，，馬赫的的《力學(xué)學(xué)史評》》都給了了他深刻刻的影響響。1902年年前后，，愛因斯斯坦和幾幾個(gè)年輕輕朋友組組成“奧奧林比亞亞科學(xué)院院”每晚晚聚在一一起，研研讀斯賓賓諾莎、、休謨、、彭加勒勒等人的的科學(xué)和和哲學(xué)著著作。斯斯賓諾莎莎關(guān)于自自然界統(tǒng)統(tǒng)一的思思想，休休謨的時(shí)時(shí)空觀，，馬赫對對牛頓絕絕對時(shí)空空觀的批批判都引引起愛因因斯坦極極大的興興趣。1900年蘇蘇黎世聯(lián)聯(lián)邦工業(yè)業(yè)大學(xué)師師范系畢畢業(yè)。1902年在在瑞瑞士聯(lián)邦邦專利局局工作1909年離離開專利利局任蘇蘇黎世大大學(xué)理論論物理學(xué)學(xué)副教授授。1911年任任布拉格格德語大大學(xué)理論論物理學(xué)學(xué)教授，，1912年任任母校蘇蘇黎世聯(lián)聯(lián)邦工業(yè)業(yè)大學(xué)教教授。1914年，應(yīng)應(yīng)能斯脫脫的邀請請，回德德國任威威廉皇帝帝物理研研究所所所長兼柏柏林大學(xué)學(xué)教授，，直到1933年。1920年應(yīng)應(yīng)洛倫茲茲和埃倫倫菲斯特特（即P.厄任任費(fèi)斯脫脫）的邀邀請，兼兼任荷蘭蘭萊頓大大學(xué)特邀邀教授。?；氐聡鴩坏剿乃膫€(gè)月，，第一次次世界大大戰(zhàn)爆發(fā)發(fā)，他投投入公開開的和地地下的反反戰(zhàn)活動(dòng)動(dòng)。他經(jīng)經(jīng)過8年年艱苦的的探索,于1915年年最后建建成了廣廣義相對對論。1921年獲獲諾諾貝爾物物理獎(jiǎng)。。1933年受受德德國納粹粹迫害，，移居美美國，為為普林斯斯頓研究究所研究究員。1940年加入入美國國國籍。1955年4月月18日日去世。。三、狹義義相對論論的建立立1900年，愛愛因斯坦坦大學(xué)畢畢業(yè)。1901年，他他獲得了了瑞士國國籍。1902年，在在他的朋朋友格羅羅斯曼的的幫助下下，愛因因斯坦終終于在伯伯爾尼的的瑞士聯(lián)聯(lián)邦專利利局找到到了一份份穩(wěn)定的的工作———當(dāng)技技術(shù)員。。在伯爾尼尼專利局局的日子子里，愛愛因斯坦坦廣泛關(guān)關(guān)注物理理學(xué)界的的前沿動(dòng)動(dòng)態(tài)，在在許多問問題上深深入思考考，并形形成了自自己獨(dú)特特的見解解。在十十年的探探索過程程中，愛愛因斯坦坦認(rèn)真研研究了麥麥克斯韋韋電磁理理論，特特別是經(jīng)經(jīng)過赫茲茲和洛倫倫茲發(fā)展展和闡述述的電動(dòng)動(dòng)力學(xué)。。愛因斯斯坦堅(jiān)信信電磁理理論是完完全正確確的，但但是有一一個(gè)問題題使他不不安，這這就是絕絕對參照照系中以以太的存存在。他閱讀了了許多著著作發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，所有有人試圖圖證明以以太存在在的試驗(yàn)驗(yàn)都是失失敗的。。經(jīng)過研研究，愛愛因斯坦坦發(fā)現(xiàn)，，除了作作為絕對對參照系系和電磁磁場的荷荷載物外外，以太太在洛倫倫茲理論論中已經(jīng)經(jīng)沒有實(shí)實(shí)際意義義。于是是他想到到：絕對對參照系系是必要要的嗎？？電磁場場一定要要有荷載載物嗎？？當(dāng)時(shí)的物物理學(xué)家家一般都都相信以以太，也也就是相相信存在在著絕對對參照系系，這是是受到牛牛頓的絕絕對空間間概念的的影響。。19世世紀(jì)末，，馬赫在在所著的的《發(fā)展展中的力力學(xué)》中中，批判判了牛頓頓的絕對對時(shí)空觀觀，這給給愛因斯斯坦留下下了深刻刻的印象象。1905年5月月的一天天，愛因因斯坦與與一個(gè)朋朋友貝索索討論這這個(gè)已探探索了十十年的問問題，貝貝索按照照馬赫主主義的觀觀點(diǎn)闡述述了自己己的看法法，兩人人討論了了很久。。突然，，愛因斯斯坦領(lǐng)悟悟到了什什么，回回到家經(jīng)經(jīng)過反復(fù)復(fù)思考，，終于想想明白了了問題。。第二天天，他又又來到貝貝索家，，說：謝謝謝你，，我的問問題解決決了。原原來愛因因斯坦想想清楚了了一件事事：時(shí)間間沒有絕絕對的定定義，時(shí)時(shí)間與光光信號(hào)的的速度有有一種不不可分割割的聯(lián)系系。他找找到了開開鎖的鑰鑰匙，經(jīng)經(jīng)過五個(gè)個(gè)星期的的努力工工作，愛愛因斯坦坦把狹義義相對論論呈現(xiàn)在在人們面面前。1905年年他發(fā)表表了有關(guān)關(guān)狹義相相對論的的三篇文文章。早在16歲（1895年）時(shí)時(shí)，愛因因斯坦就就開始思思考這樣樣一個(gè)問問題：““如果我我以速度度c（真真空中的的光速））追隨光光線運(yùn)動(dòng)動(dòng)，我應(yīng)應(yīng)當(dāng)看到到這樣一一條光線線就好象象一個(gè)在在空中振振蕩著而而停滯不不前的電電磁場。?？墒菬o無論是依依據(jù)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)，還是是按照麥麥克斯韋韋方程，，看來都都不會(huì)有有這樣的的事情。?！边@是是一個(gè)悖悖論，實(shí)實(shí)際上包包含了狹狹義相對對論的萌萌芽。愛因斯坦坦對這個(gè)個(gè)問題的的思考，，經(jīng)歷了了很長的的過程。。他回憶憶說：““最初當(dāng)當(dāng)我有這這個(gè)想法法時(shí)，我我并不懷懷疑以太太的存在在，不懷懷疑地球球相對以以太的運(yùn)運(yùn)動(dòng)”。。甚至他他還設(shè)想想用熱電電偶做一一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)，比較較沿不同同方向的的兩束光光線所放放出的熱熱量。不久愛因因斯坦得得知邁克克耳孫-莫雷實(shí)實(shí)驗(yàn)的零零結(jié)果。。他由此此認(rèn)識(shí)到到，地球球相對于于以太的的運(yùn)動(dòng)是是不能用用任何儀儀器測量量的。他他繼續(xù)回回憶說：：“如果果承認(rèn)邁邁克耳孫孫的零結(jié)結(jié)果是事事實(shí)，那那么地球球相對于于以太運(yùn)運(yùn)動(dòng)的想想法就是是錯(cuò)的，，這是引引導(dǎo)我走走向狹義義相對論論的第一一步?！薄睈垡蛩固固棺x到了了洛侖茲茲1895年的的論文，，他很欣欣賞洛侖侖茲方程程不但適適用于真真空中的的參照系系，而且且適用于于運(yùn)動(dòng)物物體的參參照系。。他試圖圖用洛侖侖茲方程程討論斐斐索的流流水中光光速實(shí)驗(yàn)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)時(shí)他堅(jiān)信信麥克斯斯韋和洛洛侖茲電電動(dòng)力學(xué)學(xué)方程是是正確的的，但是是進(jìn)一步步推算，，發(fā)現(xiàn)要要保持這這些方程程對動(dòng)體體參照系系同樣有有效，必必然導(dǎo)致致光速不不變性的的概念，，而光速速的不變變性明顯顯地與力力學(xué)的速速度合成成法則相相抵觸。。為什么這這兩個(gè)概概念會(huì)相相互矛盾盾呢？愛愛因斯坦坦苦思不不得其解解。起初初他想修修改洛侖侖茲的觀觀念，以以解決這這個(gè)矛盾盾，結(jié)果果白白花花了一年年時(shí)間，，沒有取取得進(jìn)展展。經(jīng)過十年年的思考考，終于于在1905年年的一天天，他突突然找到到了解決決問題的的關(guān)鍵。。他在那那次講演演中這樣樣形容當(dāng)當(dāng)時(shí)的情情景：“為什么么這兩個(gè)個(gè)觀念相相互矛盾盾呢？我我感到這這一難題題相當(dāng)不不好解決決。我花花了整整整一年的的時(shí)間，，試圖修修改洛侖侖茲的思思想，來來解決這這個(gè)問題題，但是是卻徒勞勞無功。?！笆俏以谠诓疇柲崮岬呐笥延沿愃髋寂既婚g幫幫我擺脫脫了困境境。那是是一個(gè)晴晴朗的日日子，我我?guī)е@這個(gè)問題題訪問了了他，我我們討論論了這個(gè)個(gè)問題的的每一個(gè)個(gè)細(xì)節(jié)。。忽然我我領(lǐng)悟到到這個(gè)問問題的癥癥結(jié)所在在。這個(gè)個(gè)問題的的答案來來自對時(shí)時(shí)間概念念的分析析，不可可能絕對對地確定定時(shí)間，，在時(shí)間間和信號(hào)號(hào)速度之之間有著著不可分分割的聯(lián)聯(lián)系。利利用這一一新概念念，我第第一次徹徹底地解解決了這這個(gè)難題題。”愛因斯坦坦和洛倫倫茲在一一起不出五個(gè)個(gè)星期，，（1905年年6月）），愛因因斯坦就就寫好了了那篇?dú)v歷史性文文獻(xiàn)《論論動(dòng)體的的電動(dòng)力力學(xué)》，，1905年9月發(fā)表表在著名名的德文文雜志《《物理學(xué)學(xué)年鑒》》上。在在這篇論論文中，，愛因斯斯坦十分分果斷地地把相對對性原理理和光速速不變原原理這兩兩條看起起來似乎乎矛盾的的設(shè)想放放在一起起作為基基本出發(fā)發(fā)點(diǎn)。他他稱之為為兩條公公設(shè)，內(nèi)內(nèi)容如下下：“1.物物理體系系的狀態(tài)態(tài)據(jù)以變變化的定定律，同同描述這這些狀態(tài)態(tài)變化時(shí)時(shí)所參照照的坐標(biāo)標(biāo)系究竟竟是兩個(gè)個(gè)在互相相勻速移移動(dòng)著的的坐標(biāo)系系中的那那一個(gè)并并無關(guān)系系，（相相對性原原理）。。”“2.任任何光線線在靜止止的坐標(biāo)標(biāo)系中都都是以確確定的速速度v運(yùn)運(yùn)動(dòng)著，，不管這這道光線線是由靜靜止的還還是運(yùn)動(dòng)動(dòng)的物體體發(fā)射出出來的，，（光速速不變原原理）。。”愛因斯坦坦不是象象洛侖茲茲那樣，，事先假假設(shè)某種種時(shí)空變變換關(guān)系系，而是是以這兩兩個(gè)公設(shè)設(shè)為出發(fā)發(fā)點(diǎn)，推推導(dǎo)出時(shí)時(shí)空變換換關(guān)系。。他非常常簡潔地地建立了了一系列列新的時(shí)時(shí)空變換換公式之之后，立立即推導(dǎo)導(dǎo)出了運(yùn)運(yùn)動(dòng)物體體的“長長度收縮縮”、運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間間的“時(shí)時(shí)鐘變慢慢”、同同時(shí)性的的相對性性以及新新的速度度合成法法則等等等，由此此形成一一套嶄新新的時(shí)空空觀。另外一個(gè)個(gè)佯謬就就是：快快速運(yùn)動(dòng)動(dòng)參考系系中的鐘鐘，與靜靜止參考考系中的的鐘相比比，它走走慢了。。----這就就是所謂謂的時(shí)間間膨脹，，也叫時(shí)時(shí)間延遲遲。在1911年年4月波隆哲哲學(xué)大會(huì)上，，法國物理學(xué)學(xué)家P．朗之之萬用雙生子子實(shí)驗(yàn)對狹義義相對論的時(shí)時(shí)間膨脹效應(yīng)應(yīng)提出了質(zhì)疑疑，設(shè)想的實(shí)實(shí)驗(yàn)是這樣的的：一對雙胞胞胎，一個(gè)留留在地球上，，另一個(gè)乘坐坐火箭到太空空旅行。飛行行速度接近光光速，在太空空旅行的雙胞胞胎回到地球球時(shí)只不過兩兩歲，而他的的兄弟早已死死去了，因?yàn)闉榈厍蛏弦呀?jīng)經(jīng)過了200年了。這就就是著名的雙雙生子詳謬。。雙生子佯謬謬說明狹義相相對論在邏輯輯自恰性上還還存在不完善善的地方。愛因斯坦在《《論動(dòng)體的電電動(dòng)力學(xué)》一一文的最后，，推導(dǎo)出了電電子質(zhì)量隨速速度變化的關(guān)關(guān)系和電子的的動(dòng)能公式，，并由電子速速度等于光速速c時(shí)動(dòng)能變變?yōu)闊o窮大的的結(jié)果預(yù)言電電子速度不可可能大于光速速。1905年晚晚些時(shí)候，愛愛因斯坦又發(fā)發(fā)表了一篇論論文，題為《《物體的慣性性同它所含的的能量有關(guān)嗎嗎？》，第一一次提出了相相對論的質(zhì)能能轉(zhuǎn)化關(guān)系。。“物體質(zhì)量量是它所包含含的能量的量量度?！薄叭缛绻芰扛淖冏僉，則質(zhì)量量也要同時(shí)改改變L/（9×1020）（即L/c2，這里用的是是CGS單位位）。”《論動(dòng)體的電電動(dòng)力學(xué)》發(fā)發(fā)表在《物理理學(xué)年鑒》上上愛因斯坦的狹狹義相對論基基本內(nèi)容1.兩個(gè)基本本假設(shè)1905年9月,愛因斯斯坦26歲,在德國的《《物理學(xué)雜志志》發(fā)表了三三篇文章，在在文章中提出出了兩個(gè)基本本假設(shè)：狹義相對論的的相對性原理理光速不變原理理將革命性的時(shí)時(shí)空觀引入物物理學(xué)，雖然然它只具有最最少的兩個(gè)基基本假設(shè)，但但它與各種實(shí)實(shí)驗(yàn)都符合。。從這兩個(gè)假設(shè)設(shè)，他得出了了洛倫茲變換換：表明了時(shí)間與與空間與運(yùn)動(dòng)動(dòng)的不可分割割的聯(lián)系，使使牛頓力學(xué)得得到推廣，將將時(shí)空觀普遍遍化。2.由狹義相相對論引出的的觀念的變化化同時(shí)性的相對對性——長度度收縮與運(yùn)動(dòng)動(dòng)有關(guān)——時(shí)時(shí)間膨脹效應(yīng)應(yīng)——速度變變換公式———質(zhì)速關(guān)系———質(zhì)能關(guān)系系——能量動(dòng)動(dòng)量關(guān)系3.狹義相對對論是基礎(chǔ)牢牢固，邏輯結(jié)結(jié)構(gòu)嚴(yán)緊，形形式完美的物物理理論，成成為近代物理理的支柱。四、愛因斯坦坦的研究特色色:1.對經(jīng)典理理論的大膽懷懷疑經(jīng)過十年的思思索,首先看看破以太,并并最終拋棄了了以太,也就就是拋棄了絕絕對運(yùn)動(dòng)。馬馬赫的真正正偉大，就在在于他的堅(jiān)不不可摧的懷疑疑態(tài)度和獨(dú)立立性?！獝垡蛩固固瓜鄬φ撘宰钣掠赂业奈锢碚撜摱麚P(yáng)于世世。2.博聞苦思思，好學(xué)進(jìn)取取16歲時(shí),愛愛因斯坦就思思考:“如果我以速速度c追隨一一條光線運(yùn)動(dòng)動(dòng)”，我應(yīng)當(dāng)當(dāng)看到什么現(xiàn)現(xiàn)象呢？愛因斯坦得知知邁克爾遜零零結(jié)果，想:“若零結(jié)果果是事實(shí)，那那地球相對以以太運(yùn)動(dòng)的想想法就是錯(cuò)誤誤的!”愛因斯坦讀了了洛侖茲1895年的論論文，認(rèn)為其其方程若成立立，必然導(dǎo)致致光速不變的的概念。電磁感應(yīng)的現(xiàn)現(xiàn)象迫使我假假設(shè)(狹義)相對性的原原理，必須克克服的困難在在于真空中光光速的不變性性.———愛因斯坦坦愛因斯坦認(rèn)為為:“若光速速不變成立，，則將出現(xiàn)同同時(shí)性的相對對性。”就這樣，愛因因斯坦建立了了新的時(shí)空觀觀，他認(rèn)為時(shí)時(shí)間與運(yùn)動(dòng)有有關(guān)，而不是是割離的，建建立了四維空空間。3.追求科學(xué)學(xué)理論的和諧諧與自然認(rèn)為科學(xué)理論論應(yīng)當(dāng)完備，，即不存在矛矛盾和不一致致的地方，比比如牛頓運(yùn)動(dòng)動(dòng)定律與事實(shí)實(shí)有矛盾，就就應(yīng)該改革它它。認(rèn)為科學(xué)學(xué)理論應(yīng)當(dāng)邏邏輯簡單，概概念和假設(shè)應(yīng)應(yīng)當(dāng)盡量地少少，理論應(yīng)當(dāng)當(dāng)簡潔。認(rèn)為為科學(xué)應(yīng)當(dāng)對對稱和諧。愛因斯坦在總總結(jié)回憶時(shí)說說：“它象在在爬山一樣，，越是往上爬爬，越是得到到寬廣的視野野，并且越能能顯示出我們們的出發(fā)點(diǎn)與與其周圍廣大大地域之間的的出乎意外聯(lián)聯(lián)系?！豹M義相對論被被承認(rèn)的曲折折經(jīng)歷1.普遍讀不不懂，不理解解

在法法國，1910年幾乎沒沒有人提到愛愛因斯坦。J·J·湯姆姆遜1909年：“以太太對我們來說說，就象我們們呼吸空氣一一樣不可缺少少?！瘪R馬吉1911年：“我我相信，現(xiàn)在在沒有一個(gè)活活著的人會(huì)斷斷言，時(shí)間會(huì)會(huì)是速度的函函數(shù)?！边~克爾遜至死死（1931年）還念念念不忘“可愛愛的以太”，，認(rèn)為相對論論是個(gè)怪物。?！?.3狹狹義相對論論的遭遇和實(shí)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)2.普朗克支支持：“如果果相對論是正正確的，愛因因斯坦就是20世紀(jì)的哥哥白尼。”并并發(fā)表了愛因因斯坦的文章章。所以人們們常說，普朗朗克有兩大發(fā)發(fā)現(xiàn)!3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證

1906年，考夫夫曼得出了否否定相對論的的結(jié)果，相對對論受到考驗(yàn)驗(yàn)！但1907年，愛因因斯坦發(fā)表文文章，堅(jiān)信相相對論是正確確的。1911年，，索爾威會(huì)議議召開，由于于愛因斯坦在在固體比熱的的研究上有一一定影響，人人們才注意愛愛因斯坦的的相對論方面面的工作。到到了1919年，愛因斯斯坦的廣義相相對論得到了了日全食觀測測的證實(shí)，他他成為公眾矚矚目的人物。。狹義相對論論才開始受到到應(yīng)有的重視視。1921年年愛因因斯坦坦獲得得諾貝貝爾物物理學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。。不過過不是是由于于他建建立了了相對對論，，而是是“為為了他他的理理論物物理學(xué)學(xué)研究究，特特別是是光電電效應(yīng)應(yīng)定律律的發(fā)發(fā)現(xiàn)””。諾諾貝爾爾物理理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)委員員會(huì)主主席奧奧利維維拉為為此專專門寫寫信給給他，，指明明他獲獲獎(jiǎng)的的原因因不是是基于于相對對論，，并在在授獎(jiǎng)獎(jiǎng)典禮禮上解解釋說說：因因?yàn)橛杏行┙Y(jié)結(jié)論目目前還還正在在經(jīng)受受嚴(yán)格格的驗(yàn)驗(yàn)證。。支持相相對論論的物物理學(xué)學(xué)家：：普朗克克，當(dāng)時(shí)作作為《《物理理學(xué)年年鑒》》的主主編，，認(rèn)識(shí)識(shí)到愛愛因斯斯坦論論文的的價(jià)值值，及及時(shí)給給予發(fā)發(fā)表。。后人人評價(jià)價(jià)他有有兩大大發(fā)現(xiàn)現(xiàn)：一一是量量子論論，二二是愛愛因斯斯坦。。普朗克克的學(xué)學(xué)生勞厄，在1911年年就致致力于于宣傳傳相對對論。。閔可夫夫斯基基立陶宛宛出生生的德德國數(shù)數(shù)學(xué)家家是除除愛因因斯坦坦以外外，最最早注注意到到時(shí)空空觀變變革的的學(xué)者者，他他是愛愛因斯斯坦大大學(xué)時(shí)時(shí)的老老師，，因后后者不不重視視正規(guī)規(guī)課程程的學(xué)學(xué)習(xí)而而不太太喜歡歡這個(gè)個(gè)學(xué)生生，但但他卻卻十分分贊賞賞學(xué)生生提出出的相相對論論。他他以自自己精精通的的幾何何學(xué)知知識(shí)對對相對對論進(jìn)進(jìn)行了了四維維格式式化，，重新新處理理了相相對論論的基基本方方程，，把洛洛侖茲茲變換換看作作是坐坐標(biāo)系系在四四維空空間中中的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，，給相相對論論以更更加簡簡潔的的表述述。泡利，，在1921年受受他老老師的的推薦薦為《《數(shù)學(xué)學(xué)科學(xué)學(xué)百科科全書書》撰撰寫了了一篇篇關(guān)于于相對對論的的長篇篇綜述述文章章，得得到了了愛因因斯坦坦的高高度評評價(jià)，，至今今還是是相對對論方方面的的名著著之一一。布雪勒勒，在1908年用用改進(jìn)進(jìn)的方方法測測量電電子的的質(zhì)量量，得得到的的結(jié)果果與相相對論論的理理論基基本相相符。。狹義相相對論論有一一重要要結(jié)果果，就就是預(yù)預(yù)言電電子質(zhì)質(zhì)量會(huì)會(huì)隨運(yùn)運(yùn)動(dòng)速速度增增長。。從經(jīng)經(jīng)典電電磁理理論出出發(fā)也也可以以得到到類似似的結(jié)結(jié)論，，因?yàn)闉檫\(yùn)動(dòng)動(dòng)電荷荷會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生磁磁場，，電磁磁場的的能量量增大大，相相當(dāng)于于質(zhì)量量也增增大。。經(jīng)典典電磁磁理論論家阿阿伯拉拉罕（（M.Abraham）假假設(shè)電電子是是一個(gè)個(gè)有確確定半半徑的的鋼性性帶電電小球球，它它在運(yùn)運(yùn)動(dòng)中中產(chǎn)生生的磁磁場引引起電電磁質(zhì)質(zhì)量，，由此此推出出了電電子的的質(zhì)量量公式式。1901年年，實(shí)實(shí)驗(yàn)物物理學(xué)學(xué)家考考夫曼曼用ββ射線線的高高速電電子流流進(jìn)行行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)，證證實(shí)電電子的的質(zhì)量量確實(shí)實(shí)是隨隨速度度變化化的。。洛侖侖茲到到1904年則則根據(jù)據(jù)收縮縮假說說也推推出了了電子子質(zhì)量量公式式。后后來證證明洛洛侖茲茲公式式與狹狹義相相對論論的結(jié)結(jié)果一一致。。1906年，，考夫夫曼宣宣布，，他的的量度度結(jié)果果證實(shí)實(shí)了阿阿伯拉拉罕的的理論論公式式，而而“與與洛侖侖茲-愛因因斯坦坦的基基本假假定不不相容容”。。這件件事一一度竟竟成了了否定定相對對論的的重要要依據(jù)據(jù)。在在這一一事實(shí)實(shí)面前前，洛洛侖茲茲失望望了，，他表表示，，“不不幸我我的電電子變變形假假說與與考夫夫曼的的新結(jié)結(jié)果矛矛盾，，我只只好放放棄它它了。。”然而，，愛因因斯坦坦卻持持另一一種態(tài)態(tài)度，，他在在1907年寫寫文章章表示示，相相信狹狹義相相對論論是經(jīng)經(jīng)得起起考驗(yàn)驗(yàn)的，，在他他看來來那些些理論論在很很大的的程度度上是是由于于偶然然碰巧巧與實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果相相符。。果然然，一一年后后布雪雪勒（（A.H.Bucherer）用用改進(jìn)進(jìn)了的的方法法測電電子質(zhì)質(zhì)量，，得到到的結(jié)結(jié)果與與洛侖侖茲-愛因因斯坦坦公式式符合合甚好好。以以后許許多實(shí)實(shí)驗(yàn)都都證明明，狹狹義相相對論論的結(jié)結(jié)果是是正確確的。?？墒鞘牵^觀念的的改變變不是是一朝朝一夕夕之事事。只只是到到了1919年年，愛愛因斯斯坦的的廣義義相對對論得得到了了日全全食觀觀測的的證實(shí)實(shí)，他他成為為公眾眾注目目的人人物，，狹義義相對對論才才開始始受到到應(yīng)有有的重重視。。激烈的的爭論論沒有有停息息過。。到20世世紀(jì)三三十年年代末末，從從激發(fā)發(fā)氫原原子的的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)中，，無可可置疑疑地證證明了了時(shí)間間的相相對膨膨脹。。后來來，在在宇宙宙線的的研究究過程程中再再次明明確地地得到到了證證實(shí)。。這就就是說說人們們在實(shí)實(shí)際的的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)中，，的確確發(fā)現(xiàn)現(xiàn)快速速運(yùn)動(dòng)動(dòng)的參參考系系中的的時(shí)鐘鐘變慢慢了，，特別別是宇宇宙線線粒子子的速速度特特別大大，這這一效效應(yīng)的的數(shù)值值也較較大。。1938年，查查恩和斯斯皮斯重重新分析析了布雪雪勒實(shí)驗(yàn)驗(yàn)，結(jié)論論更接近近相對論論的理論論。1940年，羅羅吉斯通通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)再次證證明愛因因斯坦理理論的正正確性。。愛因斯坦坦的狹義義相對論論譜寫了了物理學(xué)學(xué)發(fā)展史史上的令令人振奮奮的新篇篇章，和和量子論論一起成成為物理理學(xué)革命命的標(biāo)志志性成果果，其意意義正如如他自己己1948年在在《相對對性：相相對論的的本質(zhì)》》中所指指出的那那樣“：：狹義相對對論導(dǎo)致致了對空空間和時(shí)時(shí)間的物物理概念念的清楚楚理解，，并且由由此認(rèn)識(shí)識(shí)到運(yùn)動(dòng)動(dòng)著的量量桿和時(shí)時(shí)鐘的行行為。它它在原則則上取消消了絕對對同時(shí)性性概念，，從而也也取消了了牛頓所所理解的的那個(gè)即即時(shí)超距距作用概概念。它它指出，，在處理理同光速速相比不不是小到到可忽略略的運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，運(yùn)運(yùn)動(dòng)定律律必須加加以怎樣樣的修改改。它導(dǎo)導(dǎo)致了麥麥克斯韋韋電磁場場方程的的形式上上的澄清清；特別別是導(dǎo)致致了對電電場和磁磁場本質(zhì)質(zhì)上的同同一性的的理解。。它把動(dòng)動(dòng)量守恒恒和能量量守恒這這兩條定定律統(tǒng)一一成一條條定律，，并且指指出了質(zhì)質(zhì)量同能能量的等等效性。。從形式式的觀點(diǎn)點(diǎn)來看，，狹義相相對論的的成就可可以表征征如下：：它一般般指出了了普適常常數(shù)光速速）在自自然規(guī)律律中所起起的作用用，并且且表明以以時(shí)間作作為一方方，空間間坐標(biāo)作作為另一一方，兩兩者進(jìn)入入自然規(guī)規(guī)律的形形式之間間存在著著密切的的聯(lián)系。?！豹M義相對對論建立立以后，，愛因斯斯坦并沒沒有止步步。他認(rèn)認(rèn)為狹義義相對論論還有許許多問題題沒有解解決。例例如：為為什么慣慣性坐標(biāo)標(biāo)系在物物理學(xué)中中比其他他坐標(biāo)系系更為優(yōu)優(yōu)越？為為什么慣慣性質(zhì)量量隨能量量變化？？為什么么一切物物體在引引力場中中下落都都具有同同樣的加加速度？？剛剛經(jīng)經(jīng)受住考考驗(yàn)的狹狹義相對對論，為為什么一一用到引引力場中中就遇到到了矛盾盾？愛因因斯坦感感到極大大的疑惑惑。他堅(jiān)堅(jiān)信自然然界的和和諧和統(tǒng)統(tǒng)一，認(rèn)認(rèn)為要么么對慣性性坐標(biāo)系系為什么么會(huì)特別別優(yōu)越作作出解釋釋，要么么放棄慣慣性坐標(biāo)標(biāo)系的特特殊優(yōu)越越地位。?！?.4廣廣義相對對論的建建立1907年，他他腦海中中突然冒冒出一個(gè)個(gè)靈感：：“一個(gè)個(gè)在半空空中墜落落的人，，完全感感覺不到到自己的的重量，，應(yīng)該覺覺得自己己好象置置身于慣慣性系中中。”根據(jù)這個(gè)個(gè)平淡無無奇的想想法，同同年他就就寫出了了第一篇篇關(guān)于廣廣義相對對論的論論文，提提出廣義義相對論論的兩個(gè)個(gè)假設(shè)：：一、等效效原理：：加速度度造成的的“重量量感”與與真正的的重力效效應(yīng)一模模一樣。。二、廣義義相對性性原理：：物理定定律在任任何參考考系中都都具有相相同形式式。一、引力力質(zhì)量與與慣性質(zhì)質(zhì)量的等等價(jià)性幾百年以以來，物物理學(xué)家家把慣性性質(zhì)量與與引力質(zhì)質(zhì)量相等等當(dāng)作一一個(gè)基本本事實(shí)，，但是是，愛因因斯坦確確認(rèn)為““我為它它的存在在感到極極為驚奇奇，并猜猜想其中中必有一一把可以以更加深深入地了了解慣性性和引力力的鑰匙匙”。他他在題為為《相對對論發(fā)展展簡述》》的文章章中寫道道：““在引力力場里，，一切物物體都以以同一加加速度下下落，或或者說這這不過是是同一事事實(shí)的另另一種講講法物體體的引力力質(zhì)量同同慣性質(zhì)質(zhì)量在數(shù)數(shù)值上是是彼此相相等的。。這種數(shù)數(shù)值上的的相等，，暗示著著性質(zhì)上上的相同同。引力力同慣性性能夠是是同一的的嗎？這這問題直直接導(dǎo)致致了廣義義相對論論。”經(jīng)過縝密密的思索索，愛因因斯坦用用場的觀觀念對基基于超距距作用觀觀念的牛牛頓引力力理論進(jìn)進(jìn)行了改改造，寫寫出如下下等式：：（慣性質(zhì)質(zhì)量）··（加速速度）=（引力力場強(qiáng)度度）·（引力質(zhì)質(zhì)量）愛因斯坦坦認(rèn)為：：“只有有當(dāng)慣性性質(zhì)量和和引力質(zhì)質(zhì)量數(shù)值值上相等等時(shí)，加加速度才才與物體體的性質(zhì)質(zhì)無關(guān)。。”即慣慣性質(zhì)量量和引力力質(zhì)量的的相等性性，是同同加速度度和引力力場強(qiáng)度度的等價(jià)價(jià)性聯(lián)系系在一起起的。在在提出等等效原理理的過程程中，愛愛因斯坦坦運(yùn)用了了理想實(shí)實(shí)驗(yàn)的方方法，設(shè)設(shè)計(jì)了一一系列升升降機(jī)實(shí)實(shí)驗(yàn)，反反復(fù)思考考處于升升降機(jī)中中的觀察察者通過過實(shí)驗(yàn)觀觀測會(huì)得得到什么么結(jié)論。。1907年愛因因斯坦在在建立廣廣義相對對論方面面邁出了了重要一一步，在在《關(guān)于于相對論論原理和和由此得得出的結(jié)結(jié)論》的的第五部部分“相相對性原原理和引引力”中中他敘述述道“：：我們考考察兩個(gè)個(gè)參照系系和在它它的軸方方向加速速運(yùn)動(dòng)是是這個(gè)加加速度的的值（不不因時(shí)間間而變））。是靜靜止的；；但是它它處在一一個(gè)均勻勻的引力力場中，，這個(gè)引引力場賦賦予一切切物體在在軸方向向上這樣樣一個(gè)加加速度““就我們們所知，，無法把把參照于于的物理理定律同同參照于于的物理理定律區(qū)區(qū)別開來來；這是是由于一一切物體體在引力力場中都都被同樣樣地加速速。”據(jù)據(jù)此他把把等效原原理以假假設(shè)的形形式提出出：“引引力場同同參照系系的相當(dāng)當(dāng)?shù)募铀偎俣仍谖镂锢砩贤晖耆葍r(jià)價(jià)?！蓖瑫r(shí)“這這個(gè)假設(shè)設(shè)把相對對性原理理擴(kuò)展到到參照系系作均勻勻加速平平移運(yùn)動(dòng)動(dòng)的情況況”。初初步提出出了廣義義相對性性原理，，并于年年在《廣廣義相對對論的基基礎(chǔ)》一一文中把把它推廣廣到所有有的坐標(biāo)標(biāo)系中：：“普遍遍的自然然規(guī)律是是由那些些對一切切坐標(biāo)系系都有效效的方程程來表示示的，也也就是說說，它們們對于無無論哪種種代換都都是協(xié)變變的（廣廣義協(xié)變變）?！薄奔匆磺星凶鴺?biāo)系系都是平平權(quán)的，，這樣就就徹底回回答了馬馬赫關(guān)于于坐標(biāo)系系的疑問問。二、、廣廣義義協(xié)協(xié)變變的的引引力力場場方方程程的的建建立立廣義義相相對對性性原原理理和和等等效效原原理理的的提提出出，，為為廣廣義義相相對對論論奠奠定定了了堅(jiān)堅(jiān)實(shí)實(shí)的的思思想想基基礎(chǔ)礎(chǔ)，，但但離離建建立立完完備備的的廣廣義義相相對對論論的的理理論論體體系系仍仍有有很很大大的的距距離離。。首首先先遇遇到到的的難難題題就就是是如如何何描描述述引引力力場場，，必必須須找找到到一一個(gè)個(gè)合合適適的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)工工具具。。從1907年年到到1916年年的的九九年年時(shí)時(shí)間間，，愛愛因因斯斯坦坦先先后后發(fā)發(fā)表表了了好好幾幾篇篇論論文文，，使使廣廣義義相相對對論論逐逐步步完完備備。。1913年年，，愛愛因因斯斯坦坦與與格格羅羅斯斯曼曼（（M.Grossmann））合合作作，，建建立立了了引引力力的的度度規(guī)規(guī)場場理理論論，，他他們們聯(lián)聯(lián)名名發(fā)發(fā)表表了了《《廣廣義義相相對對論論和和引引力力論論》》，，系系統(tǒng)統(tǒng)地地論論述述了了廣廣義義相相對對論論的的物物理理原原理理和和數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)方方法法。。他他們們引引入入了了黎黎曼曼張張量量，，把把平平直直空空間間的的張張量量運(yùn)運(yùn)算算推推廣廣到到彎彎曲曲的的黎黎曼曼空空間間。。1915年年，，愛愛因因斯斯坦坦連連續(xù)續(xù)發(fā)發(fā)表表了了幾幾篇篇有有關(guān)關(guān)廣廣義義相相對對論論的的論論文文。。其其中中《《用用廣廣義義相相對對論論解解釋釋水水星星近近日日點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)》》第第一一次次用用廣廣義義相相對對論論計(jì)計(jì)算算出出了了水水星星的的剩剩余余進(jìn)進(jìn)動(dòng)動(dòng)，，并并且且聲聲明明：：““在在本本文文中中我我找找到到了了這這種種最最徹徹底底和和最最完完全全的的相相對對論論的的一一個(gè)個(gè)重重要要證證明明。。””同同年年發(fā)發(fā)表表了了《《引引力力的的場場方方程程》》，，提提出出了了廣廣義義相相對對論論引引力力場場方方程程的的完完整整形形式式。。1916年年，，愛愛因因斯斯坦坦發(fā)發(fā)表表了了《《廣廣義義相相對對論論的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)》》，，對對廣廣義義相相對對論論的的研研究究作作了了全全面面的的總總結(jié)結(jié)。。在在論論文文中中，，愛愛因因斯斯坦坦證證明明了了牛牛頓頓理理論論可可以以作作為為相相對對論論引引力力理理論論的的第第一一級(jí)級(jí)近近似似，，并并且且給給出出了了譜譜線線紅紅移移，，光光線線彎彎曲曲，，行行星星軌軌道道近近日日點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)進(jìn)動(dòng)動(dòng)的的理理論論預(yù)預(yù)言言。。1916年年,愛愛因因斯斯坦坦完完成成了了廣廣義義相相對對論論，，提提出出了了三三大大天天文文效效應(yīng)應(yīng)，，其其中中之之一一，，引引力力場場將將使使星星光光彎彎曲曲的的現(xiàn)現(xiàn)象象。。1919年年，，英英國國愛愛丁丁頓頓，，率率領(lǐng)領(lǐng)一一支支考考察察隊(duì)隊(duì)，，利利用用日日全全食食,觀觀察察到到這這一一現(xiàn)現(xiàn)象象，，并并拍拍攝攝了了照照片片。。相相對對論論的的成成功功震震驚驚了了世世界界!愛因斯坦成成為公眾矚矚目的人。。廣義相對論論的結(jié)構(gòu)體體系可以用用一張圖來來表示：迄今為止，，廣義相對對論的應(yīng)用用主要是在在宇觀領(lǐng)域域，即宇宙宙學(xué)和天體體物理學(xué)方方面。從廣廣義相對論論出發(fā)建立立起來的引引力理論是是目前最好好的一種引引力理論。。在現(xiàn)有的的幾種與廣廣義相對論論競爭的理理論中，廣廣義相對論論占有明顯顯的優(yōu)勢，