狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的區(qū)別:
狹義相對(duì)論討論的是勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系(慣系參照系)之間的物理定律,廣義相對(duì)論則推廣到具有加速度的參照系中(非慣性系),并在等效原理的假設(shè)下,廣泛應(yīng)用于引力場(chǎng)中。
相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué),不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體和微觀領(lǐng)域。相對(duì)論解決了高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題;
量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問(wèn)題。相對(duì)論顛覆了人類(lèi)對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念,提出了“時(shí)間和空間的相對(duì)性”、“四維時(shí)空”、“彎曲空間”等全新的概念。
狹義相對(duì)論最著名的推論是質(zhì)能公式,它可以用來(lái)計(jì)算核反應(yīng)過(guò)程中所釋放的能量,并導(dǎo)致了原子彈的誕生。而廣義相對(duì)論所預(yù)言的引力透鏡和黑洞,也相繼被天文觀測(cè)所證實(shí)。
愛(ài)恩斯坦創(chuàng)立相對(duì)論:
1、歷史背景:
。1)19世紀(jì)科學(xué)得到了飛速發(fā)展;
19世紀(jì)末,物理學(xué)界連續(xù)發(fā)生了三個(gè)重大事件,這就是X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)。這三大發(fā)現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)事實(shí)使得原子不可分、不變化的傳統(tǒng)觀念發(fā)生了動(dòng)搖。物理學(xué)家們?cè)J(rèn)為的似乎已經(jīng)基本上完成了的經(jīng)典物理學(xué)體系,從根本上出現(xiàn)了動(dòng)搖,這就是所謂的“物理學(xué)危機(jī)”。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是人們?nèi)粘I钪幸子诶斫獾暮暧^世界,三大發(fā)現(xiàn)所揭示的卻是人們沒(méi)有直接經(jīng)驗(yàn)的微觀現(xiàn)象,這表明人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)已經(jīng)深入了一個(gè)層次。物理學(xué)的“危機(jī)”沒(méi)有嚇倒大多數(shù)物理學(xué)家,他們繼續(xù)向前探索,于是產(chǎn)生了以量子論和相對(duì)論的建立為標(biāo)志的物理學(xué)革命,物理學(xué)從此開(kāi)辟了新的天地。
。2)經(jīng)典力學(xué)無(wú)法解釋高速運(yùn)動(dòng)的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為,時(shí)間和空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),存在著絕對(duì)的靜止和絕對(duì)的時(shí)間。這與人們的一般看法一致。但到了19世紀(jì),經(jīng)典力學(xué)無(wú)法解釋研究中遇到的一些新問(wèn)題,面臨著挑戰(zhàn)。
英國(guó)著名物理學(xué)家開(kāi)爾文在一篇瞻望20世紀(jì)物理學(xué)的文章中,就曾談到:“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中,后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了!比欢,正當(dāng)物理學(xué)界沉浸在滿足的歡樂(lè)之中的時(shí)候,從實(shí)驗(yàn)上陸續(xù)出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)。如固體比熱、黑體輻射、光電效應(yīng)、原子結(jié)構(gòu)cdotscdots這些新現(xiàn)象都涉及物質(zhì)內(nèi)部的微觀過(guò)程,用已經(jīng)建立起來(lái)的經(jīng)典理論進(jìn)行解釋顯得無(wú)能為力。特別是關(guān)于黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,運(yùn)用經(jīng)典理論得出的瑞利——金斯公式,雖然在低頻部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得比較好,但是,隨著頻率的增加,輻射能量單調(diào)地增加,在高頻部分趨于無(wú)限大,即在紫色一端發(fā)散。這一情況被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”;對(duì)邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)所得出的“零結(jié)果”更是令人費(fèi)解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,根本不存在“以太漂移”。這引起了物理學(xué)家的震驚,反映出經(jīng)典物理學(xué)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這兩件事被當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的權(quán)威稱為“在物理學(xué)晴朗的天空的遠(yuǎn)處還有兩朵小小的,令人不安的烏云”。然而就是這兩朵小小的烏云,給物理學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)深刻的革命。
2、相對(duì)論的提出及主要內(nèi)容:
。1)提出:1905年剛剛得到博士學(xué)位的愛(ài)因斯坦發(fā)表的一篇題為《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的文章,提出了著名的相對(duì)論,引發(fā)了二十世紀(jì)物理學(xué)的另一場(chǎng)革命。
。2)內(nèi)容:相對(duì)論包含狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論認(rèn)為,物體運(yùn)動(dòng)時(shí),質(zhì)量會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度增大而增加,同時(shí),空間和時(shí)間也會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)的變化而變化,即會(huì)發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。
廣義相對(duì)論認(rèn)為,空間和時(shí)間的性質(zhì)不僅取決于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)情況,也取決于物質(zhì)本身的分布狀態(tài)。
狹義相對(duì)論:1905年6月,愛(ài)因斯坦完成題為《論運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)》的論文,提出了狹義相對(duì)論。此后,愛(ài)因斯坦又連續(xù)發(fā)表幾篇論文,建立起狹義相對(duì)論的全部框架。
廣義相對(duì)論:1915年,愛(ài)因斯坦完成了創(chuàng)立廣義相對(duì)論的工作,并于1916年寫(xiě)成總結(jié)性論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》。這篇論文的發(fā)表宣告了廣義相對(duì)論的誕生。
3、意義:
。1)相對(duì)論的提出是物理學(xué)思想的一次重大革命,它否定了經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空論,從本質(zhì)上修正了由狹隘經(jīng)驗(yàn)建立起來(lái)的時(shí)空觀,深刻地揭示了時(shí)間和空間的本質(zhì)屬性。即:揭示了時(shí)空的可變性、時(shí)空變化的聯(lián)系性,樹(shù)立了新的時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)觀、物質(zhì)觀。這一理論被后人譽(yù)為20世紀(jì)人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一。
(2)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論也發(fā)展了牛頓力學(xué),將牛頓力學(xué)概括在相對(duì)論力學(xué)之中,推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的高度。
愛(ài)因斯坦:
艾伯特·愛(ài)因斯坦(1879—1955),美籍德國(guó)物理學(xué)家。
1879年3月14日誕生在德國(guó)烏爾姆的一個(gè)猶太人家中。
1894年舉家遷居意大利米蘭。1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世工業(yè)大學(xué)。1901年入瑞士國(guó)籍。
1902年6月至1909年10月,在瑞士專(zhuān)利局任技術(shù)員。1909年10月,任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授;
1911年3月,在布拉格任德意志大學(xué)理論物理學(xué)教授;1912年10月,任蘇黎世工業(yè)大學(xué)理論物理學(xué)教授;
1914年4月,在柏林任德國(guó)威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)兼柏林大學(xué)教授。
1933年,因受納粹迫害,移居美國(guó)。1940年入美國(guó)國(guó)籍。1955年4月18日逝世。
愛(ài)因斯坦被認(rèn)為是最富于創(chuàng)造力的科學(xué)家,他不但創(chuàng)立了相對(duì)論,還提出了光量子的概念,得出了光電效應(yīng)的基本定律,并揭示了光的波粒二重性本質(zhì),為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。為此榮獲1921年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。同時(shí),他還證明了熱的分子運(yùn)動(dòng)論,提出了測(cè)定分子大小的新方法。
愛(ài)因斯坦沒(méi)有因?yàn)橄鄬?duì)論而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)原因:
美國(guó)科學(xué)史專(zhuān)家羅伯特·馬克·弗里德曼博士耗時(shí)二十多年,通過(guò)發(fā)掘與諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)當(dāng)事人有關(guān)的大量書(shū)信、日記、評(píng)審報(bào)告等素材,撰寫(xiě)成一本有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)內(nèi)幕的書(shū),這本書(shū)的書(shū)名是《權(quán)謀:諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)的幕后》,已由上?萍冀逃霭嫔绯霭媪酥凶g本。那么,在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)里,究竟是誰(shuí)不想讓愛(ài)因斯坦獲獎(jiǎng)?該書(shū)作者揭示出,這個(gè)人是瑞典皇家科學(xué)院的權(quán)威古爾斯特蘭德。這個(gè)著名醫(yī)生說(shuō):“愛(ài)因斯坦的理論作為一個(gè)智識(shí)成就不具備可考慮授予諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)價(jià)值!苯Y(jié)果,古爾斯特蘭德毫不費(fèi)力地在委員會(huì)中做了一個(gè)經(jīng)典的外科“手術(shù)”,成功地“切除”了愛(ài)因斯坦獲獎(jiǎng)的可能性。另外,委員會(huì)另一個(gè)核心人物哈塞爾貝里對(duì)愛(ài)因斯坦的理論也無(wú)好感。直到1922年,哈塞爾貝里去世,奧森添補(bǔ)了委員會(huì)的空缺,愛(ài)因斯坦才得到獲獎(jiǎng)的機(jī)會(huì)。事實(shí)上,在這件事情上,奧森也頗費(fèi)了一番心思,其策略是不以委員會(huì)中大多數(shù)人反對(duì)的相對(duì)論,而是以普遍被接受但是重要性稍遜的光電效應(yīng)定律,提出為愛(ài)因斯坦授獎(jiǎng),他成功了。應(yīng)該說(shuō),是愛(ài)因斯坦為諾貝爾獎(jiǎng)增添了光彩,而不是諾貝爾獎(jiǎng)成全了愛(ài)因斯坦。