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爱因斯坦是怎么提出相对论的?
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　　早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度运动,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场.这种事可能发生吗?　　与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题.以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素.17世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质.其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中.与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说.牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉.18世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了19世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展.当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太.与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波,从而将光的波动理论与电磁理论统一起来.以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体.直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太.　　但是,电动力学遇到了一个重大的问题,就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致.关于相对性原理的思想,早在伽利略和牛顿时期就已经有了.电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难.按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量,然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同,这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如,有两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离.你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离.按照麦克斯韦的理论,这两种光的速度相同,汽车的速度在其中不起作用.但根据伽利略理论,这两项的测量结果不同.向你驶来的车将发出的光加速,即前车的光速=光速+车速；而驶离车的光速较慢,因为后车的光速=光速-车速.麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖.我们如何解决这一分歧呢?　　19世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机.海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”.在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度.德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说：“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了.”　　爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人.在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独特的见解.在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学.爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在.他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的.经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义.于是他想到：以及绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?　　爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性.相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑.他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题.光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题.当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响.19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象.1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久.突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题.第二天,他又来到贝索家,说：谢谢你,我的问题解决了.原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系.他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前.　　日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表.这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容.狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理.爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理.伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义.牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的.而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的.对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间.对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理.在这篇文章中,爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的.这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的.　　什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认.为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何没出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间.但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号.这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认.不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是没有意义的.　　光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速不是无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的.我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速.列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的.因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的.但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号.对乙来说,这两起事件是不同时的.也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态.这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架.　　相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度.由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀.但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的（与光速相比）,看不出相对论效应.　　爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大.他并且给出了著名的质能关系式：E=mc2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用.　　广义相对论的建立　　1905年,爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后,并没有立即引起很大的反响.但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章,认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推动,相对论很快成为人们研究和讨论的课题,爱因斯坦也受到了学术界的注意.　　1907年,爱因斯坦听从友人的建议,提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位,但得到的答复是论文无法理解.虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气,但在瑞士,他却得不到一个大学的教职,许多有名望的人开始为他鸣不平,1908年,爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位,并在第二年当上了副教授.1912年,爱因斯坦当上了教授,1913年,应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授.　　在此期间,爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广,对于他来说,有两个问题使他不安.第一个是引力问题,狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的,但是它不能解释引力问题.牛顿的引力理论是超距的,两个物体之间的引力作用在瞬间传递,即以无穷大的速度传递,这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突.第二个是非惯性系问题,狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系.但事实上却很难找到真正的惯性系.从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系.狭义相对论很难解释所谓的双生了佯谬,该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年.而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了.这个问题简直没法回答.实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程,这是相对论无法处理的.正在人们忙于理解相对狭义相对论时,爱因斯坦正在接受完成广义相对论.　　1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》,在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理,此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展.他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系.爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法：在一封闭箱中的观察者,不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中,这是解释等效原理最常用的说法,而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论.　　1915年11月,爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文,在这四篇论文中,他提出了新的看法,证明了水星近日点的进动,并给出了正确的引力场方程.至此,广义相对论的基本问题都解决了,广义相对论诞生了.1916年,爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》,在这篇文章中,爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论,将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理,并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立.　　爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空.爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒.广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动,20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点.广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,.最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转.1919年,在英国天文学家爱丁顿的鼓动下,英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食,经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转.英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告,确认广义相对论的结论是正确的.会上,著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”,“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”.爱因斯坦成了新闻人物,他在1916年写了一本通俗介绍相对认的书《狭义相对论与广义相对论浅说》,到1922年已经再版了40次,还被译成了十几种文字,广为流传.　　相对论的意义　　狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理.相对论对于现代物理学的发展和现代人类思相的发展都有巨大的影响.　　相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系.狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律.广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似.这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排.相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系.　　狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式.这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性.因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论.质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据.　　广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体.到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究.　　一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中,爱因斯坦将位于最前列.他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”,“按照我的看法,他也许比牛顿更伟大,因为他对于科学的贡献,更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中.”
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第十二个案例 爱因斯坦是骗子
　　在我把那个教授提出的时间断点故事写出来发表到网上之后，我收到了来自加州大学一位教授的电子邮件，上面写到他对我这个故事很感兴趣，希望我们能见面谈谈，并邀请我到加州大学。在看到这封邮件我相当兴奋，我上网查了一下他的资料，他是加州大学著名的一位教授，在数学的概率论和理论物理学方面颇有建树。　　但最奇特是他的经历，一年前，某天早上他看报纸的时候，突然变得不正常了，他拿着报纸跟同事说“这上面有外星人发的讯息，但是以一种密码的形式，只有我才能破解。”说完，便拿着纸笔在那演算起来。之后不管谁来劝他，他都坚信这个观点，每天除了破译密码，什么事也不干了。看了好多医生，也没治好。就在他的家人要放弃，准备将他送到精神病医院的时候，他自己突然好了，按他自己说法是他已经成功破译了密码。但当别人问起他上面隐藏着什么讯息？他说他发现了一个大秘密，但现在还不能说，他需要研究一下，等到他研究好了，再公布于世。　　见到他之后，他热情的接待了我，我们便开始下面的对话。　　“我看了你写的那篇文章，我挺有感触的，所以想跟你聊聊。对了，你是怎么看待那位教授的理论的？”他问我　　“我不好说，毕竟我不是研究这方面的。”我回答道　　“我倒觉得这有可能是真的。对了你对量子力学有多少了解吗？”他问道　　“有一点点了解，我大学虽然不是学物理专业的，但我对这方面挺感兴趣的，看了一些书。”我回答道　　“那你知道在量子力学里是怎么看待能量传递的吗？”他继续问道　　这点我还是知道“在量子力学的观点，并不把能量传递看成连续不断的，而是认为是一份一份的传递。（形象点说就是过去我们认为能量传递就像小河里的水是这么连续不断的流过去的，而量子力学则认为能量像搬砖一块一块给你搬过去。）而传递过程中最小的单位就量子。”我回答道　　“对，是这样的。那你知道为什么能量它是一份一份的传递而不是完整的传递？”他问道　　“为什么？”说实话我还真不知道这个问题，也没想过。　　“因为空间就是不连续的，空间与空间之间是有间隙，所以能量在空间内的传递只能一份一份的传递。”　　“空间怎么会是不连续呢？我不太理解。”我打断教授的话问道　　“这个解释起来有点麻烦。你一定听过虫洞理论吧，科幻小说里星际旅行都会使用这个技术，在一个点打通一个通道通往空间的另一个点，这个通道就叫虫洞。这两个点的之间距离很短，但实际上在空间上跨越了很远的距离。这个理论就是建立在空间是不连续的基础上，要是空间是连续的话，怎么能打通虫洞？”教授向我解释道　　接着他又说到“既然空间是不连续的，那么时间也很有可能是不连续。”　　“这……，虽然你讲的有些道理，但是我还是难以接受？”我说道　　“那方面你觉得不能接受？”他问道　　“说实话，我是比较相信爱因斯坦的理论，要是真是这样那爱因斯坦的相对论里有很多理论是错误的。”我说道　　“原来是你相信爱因斯坦的理论，告诉你个秘密——爱因斯坦其实是个骗子，除了狭义相对论的一些理论是正确，他的大部分理论都是错误的，是伪科学！”他说道　　“怎么可能？现代物理两大基石，一个是量子力学，另一个就是相对论。要是爱因斯坦的相对论是错误的，那现代物理学岂不是要倒退好几十年。”我大惊失色道　　“不，真正阻碍科学进步是广义相对论，你知道量子力学和广义相对论之间有巨大的矛盾吗？首先量子力学理论认为量子的运动是无序的，且随机的。我们不知道下个时刻它到底出现在哪？只能用概率去估计它出现在各个点机率。用一句话说就是上帝在掷骰子，但爱因斯坦提出相对论不这样认为，他认为物质的运动是确定的，不可能出现所谓的概率论。第二，在描述四种基本力的方面，相对论和量子力学也是不同的。第三，广义相对论假设了一个无限可分得平滑时空存在；但是量子论的基本观点之一：不确定性原理却告诉我们时间和能量这对共轭物理量满足不确定关系，同时动量和坐标之间也满足，所以就产生了这样的情况，当空间尺度非常小时间跨度非常短时我们的时空由于不确定原理的作用，会变得非常具有很大的能量和动量波动，所以十分不平坦!真理往往具有唯一性，这两大学说具有这么大的矛盾，只能说明只有一个理论是正确的。”教授说道　　“可爱丁顿不是已经证明了爱因斯坦的理论是有正确的吗？”我问道　　“那只是狭义相对论，爱因斯坦先拿出一个正确的理论，接着他又提出完全错误的广义相对论来误导我们。量子力学，是科学家通过观察微观粒子而提出来，而相对论呢？只是爱因斯坦自己提出来，完全没有实验基础。而这背后是巨大阴谋的。”教授接着说道　　“阴谋？会有什么阴谋？”我不解的问道　　“你知道我破译外星人的密码发现什么内容吗？”他神秘说到　　“什么内容？”我道　　“之前我之所以没和跟别人说，是因为一般人不相信。不过我就快要找到证据证明爱因斯坦是个骗子。而且我看你经历过挺多离奇的事，跟你说说也不要紧。我发现，爱因斯坦的理论并不是他自己研究出来，他就是个骗子，什么也不知道，他的理论都是外星人为了阻止地球的发展，而故意传授爱因斯坦的。他们先传授爱因斯坦正确的狭义相对论，让其他人相信之后。在传授严重错误的广义相对论来阻碍人类的科学发展。但他们没想到，之后人类居然发现量子力学。虽然这两者有矛盾，人类还是同时接受这两种理论，并发展下去。但在一定程度上也阻碍我们科学进展的速度。”他语出惊人的说道　　“如果要是有外星人的话？外星人为什么要阻止地球的科学发展，我发展科技跟他们没什么关系吧！”我反问道　　“如果外星人要入侵地球呢？外星人在很遥远的星系，他们要到地球来需要花很长时间，几十年，甚至几百年。而这段时间人类也不会闲着，科技可能会进步的。作为侵略者的外星人肯定是希望地球的科技水平越低越好，这样他们入侵地球就更容易，损失也会更小，这就是他们的阻碍地球科技水平的理由。所以，我要向科技快速的发展，就必须完全摒弃广义相对论。”教授说道　　“这个信息量有点，听起来更像科幻小说的剧情。”我笑道　　“我知道你不会相信的，不过不久之后我会证明出广义相对论就是个谎言的。”教授看着我说到“不如，你在这多呆一段时间，等到我的证明出来，对了，加州大学的校风很开放，你在这没事旁听一下课也挺好的。”　　在教授挽留下，我在加州大学呆了快一个星期。也不知道是加州大学的校风确实开放，还是因为教授的缘故，对于我这样的外人居然也可以随便蹭课听。在听了一些著名教授的课之后，我确实受益匪浅。原本还想继续呆下去，蹭课听。奈何国内有许多事情要去处理，便回国了。临走之前，教授还告诉我，他的研究已经到最后阶段，马上就会有结果。我表示虽然有点遗憾，但是我会第一时间关注他的研究的。　　在回国一个多星期后，他突然发表论文，发现如何量子力学解释是引力产生的原因。（注：量子力学认为是物体间的粒子相互交换产生了三种力，但对于引力却无法解释）而论文提出来，引力是由一种未知的粒子跃迁而产生的。第二天，教授做了实验向大家证明该粒子的存在。接着他又说出，爱因斯坦是个骗子，以及外星人要入侵地球的事。此言论一出，顿时引起一场轩然大波。一些研究量子力学激进的物理学家，立刻提出将相对论是伪科学，爱因斯坦是人类得罪人，并称赞该教授是人类的救星。不久之后，要求废除相对论的呼声越来越大，就连一些原来研究相对论的物理学家也倒戈去攻击相对论。而教授的名气也如日中天，据说下届诺贝尔的得主很可能就是他。甚至连美国的政府也受其学说的影响，开始加强军备，以应对外星人入侵。　　连我也开始怀疑难道他说的都是真的。但真理是禁得起时间考验的，不久之后，其他科学家重复了他的实验，想测定出那个未知粒子的存在，但无一例外都失败了，一些科学家开始质疑他的学说。他解释说，量子力学本来就是讲概率的，而这个粒子极不稳定，被观察到的几率很小，重复上百次试验也未必能观察到。他的运气比较好，所以测定出来了。　　但不久之后，一位科学家引用他的“引力是由未知粒子迁跃”的理论，然后推导设计了一个实验，结果这个实验得出的结论自相矛盾。至此，科学家们才知道伪科学的不是相对论，而是该教授的理论。该教授名誉扫地，他也因承受不了巨大的舆论而自杀。　　他留下的遗书怎么写到，他一直想获得科学界最高荣誉——诺贝尔奖。但他发现要想取得重大突破就必须跨过量子力学和相对论这两座大山，将它们联系起来。结果他研究了多年，也没有取得很大进展，而他的年纪也越来越大了，再这样下去，可能他这一生都拿不到这个奖。于是，他做了一个最后让他身败名裂的决定。他决定，伪造一个学说驳倒爱因斯坦的广义相对论，并连同其他一些科学家伪造一个假实验，以作为理论的支持。为了造势，甚至弄出外星人阴谋论。　　对此，我不知道该说些什么。当追求真理的渴望，被贪婪的欲望所占据，他其实离真理也越来越远。科学是客观公正的，当有科学家抛开公正的原则去追求私欲，这不仅是科学家的悲哀，也是科学界的悲哀。
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爱因斯坦＝相对论？关于天才物理学家你不可不知的二三事
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近日国家地理频道首部剧情影集《世纪天才》第一季开播，这部由奥斯卡金奖导演朗霍华执导，奥斯卡影帝杰佛瑞·洛许担纲主演的影集生动带出爱因斯坦动荡不凡的一生，就让我们来回顾这名物理学家傲人的学术成就以及独特的世界观。
数学并非其唯一才能
爱因斯坦 1879 年出生在德国西南部的一个犹太人家庭。父亲是个电工设备店店主，母亲则是位有成就的钢琴家。爱因斯坦发育比较慢，3 岁才开始讲话，被人认为是反应迟钝的孩子。直到中学时，有些教师还认为他长大了不会有出息。在他 6 岁时，母亲教他学小提琴，因此他 14 岁时就能登台演奏了。在他一生中，小提琴一直伴随着他。
10 岁时，爱因斯坦进入慕尼黑教会中学读书，在中学的成绩除数学优秀之外，其他学科均属低下，因而在 1894 年遭到退学。同年他离开德国，于 1895 年去苏黎世投考瑞士联邦工业大学，但未被取录，只好转学到另一间中学。第二年，他考进联邦工业大学师范系学习物理学。大学四年中，他致力于自学一些名家著作。纵使他很少上课，但是他靠着同学的课堂笔记仍能取得及格的成绩。
爱因斯坦于 1900 年毕业，由于学业成绩并不突出，他无法找到一个教职。1902 年，他终于在伯尔尼找到了联邦专利局审查员的职务。此时他利用工余时间继续自修理论物理。1905 年，26 岁的爱因斯坦共发布了四篇在物理学各领域中最有创造性的伟大论文：《分子体积的新测定方法》一文使他获得苏黎世大学的哲学博士学位，而《关于光的产生和转化的一个启发性观点》（光电效应）一文更使他于 1921 年获得诺贝尔物理学奖；其余的两篇创立了狭义相对论，后人认为这是他对物理学最重要的贡献。
1914 年，爱因斯坦担任威廉大帝物理研究所所长兼柏林大学教授。这个教职给予了爱因斯坦经济上的支持，使他能全时间从事研究工作。1916 年，爱因斯坦发布了《广义相对论基础》，这是关于广义相对论的第一篇完整论文，也是对这项工作的总结。1933 年因受纳粹德国的迫害，爱因斯坦迁居美国并担任普林斯顿高等学术研究院教授。他于 1940 年取得美国国籍，1955 年病逝于普林斯顿。
惊人的学术成就
一般人对于爱因斯坦的学术成就多半止于狭义及广义相对论，但他对物理学仍有其他相当重要的贡献，下面列举几项主要的学术成果：
相对论和爱因斯坦质能方程序：爱因斯坦在论文《论运动物体的电动力学》里提出了狭义相对论的两个基本公设：“光速不变”，以及“相对性原理”，他按照这两个基本公设对经典力学在运动速度接近光速时做出一些重要修正，化解了马克士威方程组与经典力学定律之间的矛盾。经过整理之后，这些创举成为爱因斯坦的狭义相对论。承认时空的相对性与光速的不变性导致了几个必然的推论：一、运动物体在其运动方向会表现出长度收缩；二、运动物体会经历时间膨胀，也就是说一个运动中的钟表要比静止的同样钟表走得慢；三、乙太的概念其实是多余无用的。爱因斯坦在表述质能等价的论文里，从狭义相对论的方程序里推导出质能方程序 。这意味着能量和质量其实是一回事，可以相互转换。对于任何物体来说，质量会随着速度的增加而增加。
光子与能量量子：在论文《关于光的产生和转变的一个启发性观点》里，爱因斯坦提出光量子假说，意即光是由离散的能量量子组成，这个能量量子称为光量子，后来简称为光子。爱因斯坦得到一个结论：频率为 f 的光束是由能量为 hf 的光量子所组成；其中，h 为普朗克常数。爱因斯坦并没有对这个结论多解释，实际而言，他并不确定光量子与光波之间的关系。但是他的确建议这点子能够解释某些实验结果，尤其是光电效应。
量子化原子振动：在 1906 年论文《普朗克的辐射理论和比热容理论》里，爱因斯坦提出一种新的描述物质的物理模型，称为爱因斯坦模型。在这模型里，位于晶格结构里的每一个原子都被视为一个独立的量子谐振子，它们各自以相同频率像弹簧一样简谐振动，因此具有离散能级。爱因斯坦模型预言比热容以温度的指数函数趋于零，这是因为它假设所有谐振子的振动频率相同。彼得·德拜对这假设给予修正，在他研究出的德拜模型里，振动频率不一样，因此比热容以温度的立方函数趋于零。
波粒二象性：在爱因斯坦的光量子假说中，光量子只是表现出能量的不连续性，它尚未被赋予粒子应具有的性质，所以不能被严格视为粒子。1909 年，在爱因斯坦发布的两篇论文《论辐射问题的现状》与《论我们关于辐射的本性和组成的观点的发展》里，爱因斯坦阐明光量子具有良好定义的动量，并且在某些方面表现出类点粒子的物理行为。这两篇论文引入了光子的概念，启发了量子力学的波粒二象性观念。他又表示，理论物理下一个阶段将会发展出一种能够将光的波动论与光的粒子论融合在一起的理论。在这里“融合”意味着波粒二象性，或是尼尔斯·波耳后来提出的互补原理。
临界乳光理论：在临界点附近，照射于介质的光束会被介质强烈散射，这现象称为临界乳光。爱因斯坦应用统计力学严格论述介质的分子结构所形成的密度涨落，推导出相关的方程序，并且用这方程序导出另一种计算亚佛加厥常数的方法，更有意思的是，临界乳光的机制可以解释天空呈蓝色的现象。
零点能：爱因斯坦研究出一种能够证实零点能存在的方法。他假设双原子分子的旋转能含有零点能，而且所有双原子分子以同样角速度旋转，然后计算出双原子分子气体的比热容。他在 1913 年论文《对于分子在绝对零度下的扰动假设的某些论证》里，将氢气的理论比热容与实验数据相互比较，进而推论零点能可能存在。
广义相对论：爱因斯坦在
年间创建的广义相对论是一种重力理论。根据广义相对论，在质量与质量之间观测到的重力是源自这些质量造成的时空弯曲。爱因斯坦假定重力不是一个力，而是在时空连续体（space-time continuum）中一个扭曲的场，而这个扭曲是由于质量存在造成的。
重力波：重力波是时空曲率的涟漪以波动的形式从波源向外传播，同时会有能量向外传输。1916 年，爱因斯坦预测了重力波的存在，根据广义相对论，劳仑兹不变性使重力波的存在成为可能，由于重力交互作用必须以有限速度传播于空间。2016 年 2 月 11 日，在爱因斯坦论文发布一世纪之后，已有团队探测到重力波，其源头来自双黑洞融合机制。
宇宙学：1917 年，他应用广义相对论来建模整个宇宙结构。从那时的实验观测推论，他认为宇宙的范围是有限的，并且不具有任何边界。因为宇宙质量会使时空弯曲回自己，就如同圆球的表面，具有有限的面积，不具有任何边界。这种宇宙称为静态宇宙。但是根据爱因斯坦场方程序，静态宇宙不可能存在，宇宙只能扩张或收缩。为了使宇宙保持静态，爱因斯坦在他的方程序中加入了一个宇宙常数项，让宇宙常数项与宇宙质量项相互抵销，这样宇宙常数可以抗拒重力的效应，从而实现静态宇宙。然而，爱德温·哈伯于 1929 年确定宇宙呈膨胀状态，爱因斯坦只好放弃宇宙常数。 后来人们发现宇宙加速膨胀，这现象的最简单说法是宇宙常数不为零，而是一个很小的数值。
玻色－爱因斯坦统计：印度物理学者萨特延德拉·玻色在 1923 年完成论文《普朗克定律与光量子假说》，并且将这篇论文寄给英国《哲学杂志》，但是遭到拒绝发布。玻色丝毫不因此气馁，隔年他又将该论文转寄给爱因斯坦，寻求爱因斯坦的意见。在这篇论文里，玻色提出一种新的统计模型，按照这个模型，光束可视为由一群无法分辨的粒子组成的气体，因此在做统计运算时，所有相同能量的光子应该合并处理。爱因斯坦注意到玻色的统计模型不仅适用于光子，还适用于很多其他种粒子，这些粒子后来被称为玻色子。爱因斯坦把玻色的论文翻译成德文后发布于《物理期刊》，接着将玻色的理论推广至带质量的粒子，于 1924 年发布论文《单原子理想气体的量子理论》；隔年，他又发布论文预言玻色子冷却至非常低温时会凝聚到其能量最低的量子态，因此会出现一种新的物态，称为玻色－爱因斯坦凝聚态。
爱因斯坦在学术方面的成就不胜枚举，也善于用有趣的方式描述他的科学论点，例如他曾这么解释无线通讯：“无线电报的概念一点也不难理解。一般电报就像一只身体很长的猫，你在纽约这头拉它的尾巴，洛杉矶那头就会喵喵叫。无线电报也一样，只不过没有那只猫而已。”以下利用两则知名的故事来说明他对“量子力学”及“狭义相对论”的观点。
上帝不掷骰子
爱因斯坦曾与波耳就量子力学方面的问题辩论。当时波耳认为在微观的世界中由机率决定一切。举例来说，某粒子下一刻会出现在 a、b、c、d、e 五处的机率各为 10%、15%、50%、15%、10%；但爱因斯坦认为世界不是这样的。他认为一般人之所以会导出波耳认为的结果，是因为他们对初始条件掌握不够完整，如果我们能掌握所有的初始条件，那么一定能计算出该粒子下一刻的确实位置。
我们可以想像一下，在自由落体中，当我们掌握物体开始下落的时间和重力加速度，我们就能计算出在任何一刻该物体的确实位置。爱因斯坦认为世界即是如此：只要知道初始条件就能计算出后面的结果，即使是微观世界也一样。
但是波耳认为不是如此。“知道初始条件即能计算出后面的结果”是在巨观世界中我们看到的情况。然而在微观世界中，一切由机率决定。先不论我们无法掌握微观世界的所有初始条件（因为太小所以没有合适的观测工具），即使我们能掌握所有初始条件，仍无法计算出最后确切会发生的结果。最后的结果还是有各种发生机率或高或低的“可能性”，因为微观世界是由机率支配的。
辩论到最后，爱因斯坦才丢出一句：“上帝不掷骰子。”他之所以会这么说，是因为“掷硬币”、“掷骰子”是机率问题中的经典题目，因此他的意思是指：“世界不是由机率支配的。”
双生子谬论
双生子谬论是一个有关狭义相对论的思想实验。内容是这样的：有一对双生兄弟，其中一个搭上太空船作长程太空旅行，另一个留本地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比留本地球的兄弟更年轻。
这个结果是由狭义相对论推测出来的（移动时钟的时间膨胀现象），且能透过实验验证：我们能够探测到大气层上层产生的 μ 介子。如果没有时间膨胀，那些 μ 介子在未到达地面之前就衰变了。
但如果我们从太空船上的人角度去想这个问题，似乎会得出矛盾的结果：旅行者在太空船中会看到地球以高速离他而去，然后又高速回来。他可以认为地球上的兄弟才是移动时钟，所以兄弟才会受时间膨胀所影响，而不是他自己。狭义相对论指出所有观测者都有同等意义，没有任何一个参考系（ frame of reference ）会获得优待。因此旅行者预期回到地球后会看见比他更年轻的双生兄弟，但这就与他兄弟的想法恰好相反──那么究竟谁的想法才正确呢？
结果旅行者的期望是错的：狭义相对论并没有说所有观测者都有同等意义，而是只有在惯性系中的观测者（意即没有进行加速运动的观测者）才有同等的意义。但太空船在旅途中亳无疑问至少加速过一次，所以旅行者并不是惯性系。反之，地球上的兄弟在整个航程中都在惯性系中（如果忽略源自地球质量及移动带来相对较小的加速度），所以他能把自己跟兄弟分开来。
有些人在解决这吊诡时会认为狭义相对论并不能用于加速中的物体，而只可使用广义相对论，这是不正确的。举例来说，双生兄弟的年龄可借由寻求时空间隔（spacetime interval），在他们任何一个惯性系中行走的时空路径上的积分准确地计算出来。近似的方法可用来计算一个加速中太空船的相对性行为。狭义相对论唯一不适用的情况是当重力影响不能被忽略的时候，这时就真的需要用到广义相对论。
美女与火炉
由于相对论不易懂，当时据说全世界只有少数几个科学家看得懂他的著作，因此曾经有一群学生包围了爱因斯坦在美国的住宅，要他用最简单的话解释相对论。爱因斯坦走出住宅对学生们说：“和一位漂亮女孩待上一小时，你会感觉像一秒钟；但如果让你在火炉上待一秒钟，你会感觉像一小时。这就是相对论。”
尽管这的确是爱因斯坦所言，但在这个比喻中，他指的是时间在心理上的相对性。简言之，即便某处存在一个标准时钟，全世界的钟也需要与它对准才能互相比较。物理上的“对准”，意味着要互相传递某种信息。相对论认为光速是传递信息的最大速度，因此同时性需要光波传递信息来判断，这就造成了同时的相对性。换言之，某个人看起来同时发生的两件事，对另外一个运动参考系中的人而言可能不是同时发生的。
另外爱因斯坦也曾以乘坐电梯解释广义相对论：“当一个人乘坐电梯时，他不会感觉自己在下降，因为这时电梯和人都依照重力加速度在下降，彷佛电梯里不存本地心引力。反之，如果电梯以不变的加速度上升，那么人在电梯里将觉得双脚紧贴本地板上，就像站本地球表面一样。”这个比喻显示加速运动与引力场的运动是等价的，要区别是由惯性或引力所产生的运动是不可能的，而这个等价原理正是广义相对论的基础。
爱因斯坦的世界观：反军国、反资本、反纳粹的不可知论者
爱因斯坦历经了两次世界大战、法西斯主义的崛起、军国主义的祸害以及经济的萧条，这促使他成为一名和平主义者与国际主义者。
“我很清楚地了解，要达到一个确定的目标必须有人出来领导、启发思想、从事指挥，并负担大部分的责任；但被领导的人却不应该被驱策，他们应被允许选择他们自己的领袖。在我看来，把社会分成许多阶级的种种区别都是虚假的；这些区别分析到最后都是依靠暴力的的。我相信每个寡头的暴力制度一定会造成堕落；因为暴力无可避免地会引来一些道德低下的人。基于这些理由，我坚决反对专制的军国主义。”
──爱因斯坦〈我心目中的世界〉
爱因斯坦强烈主张成立民主的世界政府，以世界联盟的框架抑制民族国家力量。他认为建基于普遍原理的世界联盟能够克服不受约束的民族主义所造成的混乱失序；就如同在物理学里，浩瀚宇宙必定存在一种统一理论，就能够合理解释宇宙的奥祕。假若每个主权国家都拥有自己的军队，那么不同的思想体系与分歧的国家利益会不可避免地造成难以化解的冲突与战争，所以必须存在一个具有健全统治功能的世界联盟，全面管理与调和主权国家之间的事情与问题。
此外他认为资本主义社会追求利润的动机造成资本家间的竞争，从繁荣到萧条又到繁荣的循环鼓励的是自私行为，而不是合作互助。爱因斯坦指出，资本主义的恶魔源自于这种无秩序的经济。他也深信只有一种方法能够解决这严峻的问题，那就是建立社会主义的经济系统与教育系统。
在宗教观方面，爱因斯坦形容自己为不可知论者，他认为由于人类对大自然与自己本身的了解可能有缺失，因此应该采取谨慎谦卑的态度。“我相信一个透过存在事物的和谐有序体现自己的神，而不是一个关心人类命运和行为的神。”换句话说，爱因斯坦认为从宇宙世界的存在可以感觉到神的伟大工作，但神并不会干预人们的日常生活，神是非人格化的神。“如果在我心里有什么能称之为宗教，那就是对科学所能揭示的世界结构，对这世界结构的无垠敬仰。”或许这就是爱因斯坦将毕生心血投入探索这个世界如何运作的原因。
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不得不说，对爱恩斯坦佩服得五体投地
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牛！开创了现代物理学，宇宙学，量子力学
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最大的好处是，爱恩斯坦让物理学家在超过半个世纪里都有事干了
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跟着楼主长长见识& && && && &&&
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