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驗檢驗§7.4

廣義相對論的建立§7.5

廣義相對論的實驗檢驗相對論好象是：“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，是物理學各有關(guān)分支又一次綜合的結(jié)果。19世紀后半葉，光速的精確測定為光速的不變性提供了實驗依據(jù)。從電磁理論出發(fā)，光速的不變性是很自然的結(jié)論。然而這個結(jié)論卻與力學中的伽利略變換抵觸。1.牛頓力學時空觀絕對的，真正的和數(shù)學的時間自己流逝著，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，獨立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動的?！ｎD2、邁克爾遜——莫雷實驗由于人們把“以太”選作絕對靜止的參照系，因此在19世紀，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)計了一個實驗，但是卻得到“0”結(jié)果。1887年邁爾耳遜和莫雷合作，又重復(fù)實驗，但實驗結(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，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《哲學原理》一書中。按笛卡爾的觀點，“虛空”是不可能存在的，整個宇宙充滿著一種易動的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是“以太”。

17世紀，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),認為電磁現(xiàn)象是“以太”運動的表現(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)，與牛頓力學的速度疊加法則相矛盾。

4、物理學家面臨的選擇要么對牛頓力學做一些顧此失彼的解釋，修修補補，要么徹底拋棄，建立新的理論。法國著名科學家彭加勒（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，認為物理學的基本規(guī)律應(yīng)該不隨坐標系變化。他的批評促使洛侖茲提出時空變換的方程式。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)這個原理，無論對于固定的觀察者還是對于正在作勻速運動的觀察者，物理定律應(yīng)該是相同的。因此沒有任何實驗方法可以用來識別我們自身是否處于勻速運動之中。”彭加勒還對洛侖茲理論進行加工整理，使它的數(shù)學形式更加簡潔。然而彭加勒也沒有跳出絕對時空觀的框架?！?.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，1901年入瑞士國籍，大學畢業(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年頭幾個月一連發(fā)表了四篇重要論文，分別在輻射理論、分子運動論和力學與電動力學的基礎(chǔ)理論等三個不同的領(lǐng)域提出了新的見解。其中《論動體的電動力學》一文更具有劃時代的意義，文中第一次提出了嶄新的時間空間理論，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。拉摩拉摩進動和拉摩變換費茲杰惹獨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個猶太太人家家庭。。父父親是是小商商人，，母親親是鋼鋼琴家家。上上學后后，成成績平平平，，但愛愛動腦腦筋，，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無無國籍籍的人人，并并考進進了聯(lián)聯(lián)邦工工業(yè)大大學。。大學學期間間，愛愛因斯斯坦迷迷上了了物理理學，，一方方面，，他閱閱讀了了德國國著名名物理理學家家基爾爾霍夫夫、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，，并經(jīng)經(jīng)常去去理論論物理理學教教授的的家中中請教教。另另一方方面，，他的的大部部分時時間是是去物物理實實驗室室去做做實驗驗，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)大大學的的實驗驗室里里做過過許多多實驗驗，這這是他他用過過的儀儀器愛因斯坦坦少年時時期就對對哲學有有興趣。。康德的的《純粹粹理性批批判》，，馬赫的的《力學學史評》》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年輕輕朋友組組成“奧奧林比亞亞科學院院”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和和哲學著著作。斯斯賓諾莎莎關(guān)于自自然界統(tǒng)統(tǒng)一的思思想，休休謨的時時空觀，，馬赫對對牛頓絕絕對時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理論論物理學學副教授授。1911年任任布拉格格德語大大學理論論物理學學教授，，1912年任任母校蘇蘇黎世聯(lián)聯(lián)邦工業(yè)業(yè)大學教教授。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學教授，，直到1933年。1920年應(yīng)應(yīng)洛倫茲茲和埃倫倫菲斯特特（即P.厄任任費斯脫脫）的邀邀請，兼兼任荷蘭蘭萊頓大大學特邀邀教授。?；氐聡鴩坏剿乃膫€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)活動動。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。。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)注物理理學界的的前沿動動態(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動力學。。愛因斯斯坦堅信信電磁理理論是完完全正確確的，但但是有一一個問題題使他不不安，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驗都是失失敗的。。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)沒有實實際意義義。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？？當時的物物理學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世世紀末，，馬赫在在所著的的《發(fā)展展中的力力學》中中，批判判了牛頓頓的絕對對時空觀觀，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朋朋友貝索索討論這這個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：時間間沒有絕絕對的定定義，時時間與光光信號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)過五個個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）時時，愛因因斯坦就就開始思思考這樣樣一個問問題：““如果我我以速度度c（真真空中的的光速））追隨光光線運動動，我應(yīng)應(yīng)當看到到這樣一一條光線線就好象象一個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)驗驗，還是是按照麥麥克斯韋韋方程，，看來都都不會有有這樣的的事情。?！边@是是一個悖悖論，實實際上包包含了狹狹義相對對論的萌萌芽。愛因斯坦坦對這個個問題的的思考，，經(jīng)歷了了很長的的過程。。他回憶憶說：““最初當當我有這這個想法法時，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運動”。。甚至他他還設(shè)想想用熱電電偶做一一個實驗驗，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-莫雷實實驗的零零結(jié)果。。他由此此認識到到，地球球相對于于以太的的運動是是不能用用任何儀儀器測量量的。他他繼續(xù)回回憶說：：“如果果承認邁邁克耳孫孫的零結(jié)結(jié)果是事事實，那那么地球球相對于于以太運運動的想想法就是是錯的，，這是引引導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，而且且適用于于運動物物體的參參照系。。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驗驗。當時時他堅信信麥克斯斯韋和洛洛侖茲電電動力學學方程是是正確的的，但是是進一步步推算，，發(fā)現(xiàn)要要保持這這些方程程對動體體參照系系同樣有有效，必必然導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的速速度合成成法則相相抵觸。。為什么這這兩個概概念會相相互矛盾盾呢？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，以以解決這這個矛盾盾，結(jié)果果白白花花了一年年時間，，沒有取取得進展展。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當時的情情景：“為什么么這兩個個觀念相相互矛盾盾呢？我我感到這這一難題題相當不不好解決決。我花花了整整整一年的的時間，，試圖修修改洛侖侖茲的思思想，來來解決這這個問題題，但是是卻徒勞勞無功。。“是我在在伯爾尼尼的朋友友貝索偶偶然間幫幫我擺脫脫了困境境。那是是一個晴晴朗的日日子，我我?guī)е@這個問題題訪問了了他，我我們討論論了這個個問題的的每一個個細節(jié)。。忽然我我領(lǐng)悟到到這個問問題的癥癥結(jié)所在在。這個個問題的的答案來來自對時時間概念念的分析析，不可可能絕對對地確定定時間，，在時間間和信號號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難題題?！睈垡蛩固固购吐鍌悅惼澰谝灰黄鸩怀鑫鍌€個星期，，（1905年年6月）），愛因因斯坦就就寫好了了那篇歷歷史性文文獻《論論動體的的電動力力學》，，1905年9月發(fā)表表在著名名的德文文雜志《《物理學學年鑒》》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。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)變化時時所參照照的坐標標系究竟竟是兩個個在互相相勻速移移動著的的坐標系系中的那那一個并并無關(guān)系系，（相相對性原原理）。?！薄?.任任何光線線在靜止止的坐標標系中都都是以確確定的速速度v運運動著，，不管這這道光線線是由靜靜止的還還是運動動的物體體發(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)某種種時空變變換關(guān)系系，而是是以這兩兩個公設(shè)設(shè)為出發(fā)發(fā)點，推推導出時時空變換換關(guān)系。。他非常常簡潔地地建立了了一系列列新的時時空變換換公式之之后，立立即推導導出了運運動物體體的“長長度收縮縮”、運運動時間間的“時時鐘變慢慢”、同同時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空空觀。另外一個個佯謬就就是：快快速運動動參考系系中的鐘鐘，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間間膨脹，，也叫時時間延遲遲。在1911年年4月波隆哲哲學大會上，，法國物理學學家P．朗之之萬用雙生子子實驗對狹義義相對論的時時間膨脹效應(yīng)應(yīng)提出了質(zhì)疑疑，設(shè)想的實實驗是這樣的的：一對雙胞胞胎，一個留留在地球上，，另一個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只不過兩兩歲，而他的的兄弟早已死死去了，因為為地球上已經(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《《論動體的電電動力學》一一文的最后，，推導出了電電子質(zhì)量隨速速度變化的關(guān)關(guān)系和電子的的動能公式，，并由電子速速度等于光速速c時動能變變?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。?！拔矬w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)量量也要同時改改變L/（9×1020）（即L/c2，這里用的是是CGS單位位）。”《論動體的電電動力學》發(fā)發(fā)表在《物理理學年鑒》上上愛因斯坦的狹狹義相對論基基本內(nèi)容1.兩個基本本假設(shè)1905年9月,愛因斯斯坦26歲,在德國的《《物理學雜志志》發(fā)表了三三篇文章，在在文章中提出出了兩個基本本假設(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時空觀引入物物理學，雖然然它只具有最最少的兩個基基本假設(shè)，但但它與各種實實驗都符合。。從這兩個假設(shè)設(shè)，他得出了了洛倫茲變換換：表明了時間與與空間與運動動的不可分割割的聯(lián)系，使使牛頓力學得得到推廣，將將時空觀普遍遍化。2.由狹義相相對論引出的的觀念的變化化同時性的相對對性——長度度收縮與運動動有關(guān)——時時間膨脹效應(yīng)應(yīng)——速度變變換公式———質(zhì)速關(guān)系———質(zhì)能關(guān)系系——能量動動量關(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動。馬馬赫的真正正偉大，就在在于他的堅不不可摧的懷疑疑態(tài)度和獨立立性?！獝垡蛩固固瓜鄬φ撘宰钣掠赂业奈锢碚撜摱麚P于世世。2.博聞苦思思，好學進取取16歲時,愛愛因斯坦就思思考:“如果我以速速度c追隨一一條光線運動動”，我應(yīng)當當看到什么現(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，那那地球相對以以太運動的想想法就是錯誤誤的!”愛因斯坦讀了了洛侖茲1895年的論論文，認為其其方程若成立立，必然導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為為:“若光速速不變成立，，則將出現(xiàn)同同時性的相對對性?！本瓦@樣，愛因因斯坦建立了了新的時空觀觀，他認為時時間與運動有有關(guān)，而不是是割離的，建建立了四維空空間。3.追求科學學理論的和諧諧與自然認為科學理論論應(yīng)當完備，，即不存在矛矛盾和不一致致的地方，比比如牛頓運動動定律與事實實有矛盾，就就應(yīng)該改革它它。認為科學學理論應(yīng)當邏邏輯簡單，概概念和假設(shè)應(yīng)應(yīng)當盡量地少少，理論應(yīng)當當簡潔。認為為科學應(yīng)當對對稱和諧。愛因斯坦在總總結(jié)回憶時說說：“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)點與與其周圍廣大大地域之間的的出乎意外聯(lián)聯(lián)系。”狹義相對論被被承認的曲折折經(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)在在沒有一個活活著的人會斷斷言，時間會會是速度的函函數(shù)?！边~克爾遜至死死（1931年）還念念念不忘“可愛愛的以太”，，認為相對論論是個怪物。?！?.3狹狹義相對論論的遭遇和實實驗檢驗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.實驗驗證證

1906年，考夫夫曼得出了否否定相對論的的結(jié)果，相對對論受到考驗驗！但1907年，愛因因斯坦發(fā)表文文章，堅信相相對論是正確確的。1911年，，索爾威會議議召開，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，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學獎。。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學研究究，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獎獎委員員會主主席奧奧利維維拉為為此專專門寫寫信給給他，，指明明他獲獲獎的的原因因不是是基于于相對對論，，并在在授獎獎典禮禮上解解釋說說：因因為有有些結(jié)結(jié)論目目前還還正在在經(jīng)受受嚴格格的驗驗證。。支持相相對論論的物物理學學家：：普朗克克，當時作作為《《物理理學年年鑒》》的主主編，，認識識到愛愛因斯斯坦論論文的的價值值，及及時給給予發(fā)發(fā)表。。后人人評價價他有有兩大大發(fā)現(xiàn)現(xiàn)：一一是量量子論論，二二是愛愛因斯斯坦。。普朗克克的學學生勞厄，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)學家家是除除愛因因斯坦坦以外外，最最早注注意到到時空空觀變變革的的學者者，他他是愛愛因斯斯坦大大學時時的老老師，，因后后者不不重視視正規(guī)規(guī)課程程的學學習而而不太太喜歡歡這個個學生生，但但他卻卻十分分贊賞賞學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知知識對對相對對論進進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系系在四四維空空間中中的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，，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)學學科學學百科科全書書》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，，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年用用改進進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)量會會隨運運動速速度增增長。。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，，因為為運動動電荷荷會產(chǎn)產(chǎn)生磁磁場，，電磁磁場的的能量量增大大，相相當于于質(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)電電子是是一個個有確確定半半徑的的鋼性性帶電電小球球，它它在運運動中中產(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，實實驗物物理學學家考考夫曼曼用ββ射線線的高高速電電子流流進行行實驗驗，證證實電電子的的質(zhì)量量確實實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)果果證實實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)。在在這一一事實實面前前，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。?！比欢?，，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)得起起考驗驗的，，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實驗結(jié)結(jié)果相相符。。果然然，一一年后后布雪雪勒（（A.H.Bucherer）用用改進進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。以以后許許多實實驗都都證明明，狹狹義相相對論論的結(jié)結(jié)果是是正確確的。?？墒鞘?，觀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實，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世世紀三三十年年代末末，從從激發(fā)發(fā)氫原原子的的實驗驗中，，無可可置疑疑地證證明了了時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。。這就就是說說人們們在實實際的的實驗驗中，，的確確發(fā)現(xiàn)現(xiàn)快速速運動動的參參考系系中的的時鐘鐘變慢慢了，，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驗驗，結(jié)論論更接近近相對論論的理論論。1940年，羅羅吉斯通通過實驗驗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學發(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革命命的標志志性成果果，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“：：狹義相對對論導致致了對空空間和時時間的物物理概念念的清楚楚理解，，并且由由此認識識到運動動著的量量桿和時時鐘的行行為。它它在原則則上取消消了絕對對同時性性概念，，從而也也取消了了牛頓所所理解的的那個即即時超距距作用概概念。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動動時，運運動定律律必須加加以怎樣樣的修改改。它導導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。。它把動動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。。從形式式的觀點點來看，，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，并且且表明以以時間作作為一方方，空間間坐標作作為另一一方，兩兩者進入入自然規(guī)規(guī)律的形形式之間間存在著著密切的的聯(lián)系。。”狹義相對對論建立立以后，，愛因斯斯坦并沒沒有止步步。他認認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標系在物物理學中中比其他他坐標系系更為優(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。他堅堅信自然然界的和和諧和統(tǒng)統(tǒng)一，認認為要么么對慣性性坐標系系為什么么會特別別優(yōu)越作作出解釋釋，要么么放棄慣慣性坐標標系的特特殊優(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個靈感：：“一個個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?！备鶕?jù)這個個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個假設(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)量的等等價性幾百年以以來，物物理學家家把慣性性質(zhì)量與與引力質(zhì)質(zhì)量相等等當作一一個基本本事實，，但是是，愛因因斯坦確確認為““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進行了改改造，寫寫出如下下等式：：（慣性質(zhì)質(zhì)量）··（加速速度）=（引力力場強度度）·（引力質(zhì)質(zhì)量）愛因斯坦坦認為：：“只有有當慣性性質(zhì)量和和引力質(zhì)質(zhì)量數(shù)值值上相等等時，加加速度才才與物體體的性質(zhì)質(zhì)無關(guān)。?！奔磻T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度度的等價價性聯(lián)系系在一起起的。在在提出等等效原理理的過程程中，愛愛因斯坦坦運用了了理想實實驗的方方法，設(shè)設(shè)計了一一系列升升降機實實驗，反反復(fù)思考考處于升升降機中中的觀察察者通過過實驗觀觀測會得得到什么么結(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“：：我們考考察兩個個參照系系和在它它的軸方方向加速速運動是是這個加加速度的的值（不不因時間間而變））。是靜靜止的；；但是它它處在一一個均勻勻的引力力場中，，這個引引力場賦賦予一切切物體在在軸方向向上這樣樣一個加加速度““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?！睋?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當?shù)募铀偎俣仍谖镂锢砩贤晖耆葍r價?！蓖瑫r“這這個假設(shè)設(shè)把相對對性原理理擴展到到參照系系作均勻勻加速平平移運動動的情況況”。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標系中：：“普遍遍的自然然規(guī)律是是由那些些對一切切坐標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）。””即一切切坐標系系都是平平權(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堅實實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個合合適適的的數(shù)數(shù)學學工工具具。。從1907年年到到1916年年的的九九年年時時間間，，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)學學方方法法。。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運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點運運動動》》第第一一次次用用廣廣義義相相對對論論計計算算出出了了水水星星的的剩剩余余進進動動，，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個重重要要證證明明。?！薄蓖昴臧l(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級近近似似，，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點進進動動的的理理論論預(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隊，，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，即宇宙宙學和天體體物理學方方面。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，