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1、物理学与人类文明结课论文系别：专业：班级：姓名：学号：爱因斯坦对物理学的贡献关键字 ：光量子，原子能，时空，狭义相对论，广义相对伦。引言爱因斯坦是牛顿之后最伟大的科学家，同时又是一位具有深邃洞察力和独立批判精神的思想家，一个关心人类命运、具有强烈社会责任感的真正意义上的人。他的一生对人类来说是价值无量的 , 他在天文学 , 物理学等方面都做出了巨大的贡献, 尤其是物理学方面 , 下面将看到爱因斯坦的一些物理学的主要贡献。1 爱因斯坦简介爱因斯坦（ 1879-1955）是德裔美国物理学家（拥有瑞士国籍） ，思想家及哲学家，犹太人，现代物理学的开创者和奠基人，相对论“质能关系”的提出者，“决定论量
2、子力学诠释”的捍卫者（振动的粒子）不掷骰子的上帝。 1999 年 12 月 26 日，爱因斯坦被美国时代周刊评选为“世纪伟人”。2 光量子1900 年底, 德国物理学家普朗克 (M. Planck)发现, 如果认为原子吸收和发出电磁辐射时是一份一份的 , 不连续的 , 理论曲线就会与实验曲线符合。于是, 他提出量子说 , 认为原子吸收和发射辐射时, 辐射能会以不连续的“量子”形态出现，每个量子的能量与它的频率成正比(1) 比例常数即所谓的普朗克常数。普朗克意识到了这一发现的重要性。他在与儿子一起出去散步的时候谈到: 我最近做出了一个重要的发现, 如果它是正确的 , 将能与牛顿的成就相比美。然而
3、, 这一发现实在太不可思议了, 具有崇高学术声望的普朗克不得不谨慎行事。在初次向外披露这一发现时, 他讲得十分保守 , 以至于一些听报告的人认为这次白来了一趟 , 普朗克教授什么也没有讲出来。 1901年, 普朗克的论文正式刊出 , 学术界以十分惊讶的心情 , 接受了这一不可思议但又与实验符合极好的新理论1。1905年，一个名不见经传的年轻人爱因斯坦(A. Einstein) ,把普朗克的量子说推广为光子说，并用此解释了光电效应。量子说与光子说的主要差别在哪里呢? 原来, 普朗克虽然认为原子吸收和发射辐射时是一份一份的, 但认为辐射在脱离原子时仍然是连续的。爱因斯坦的光子说则认为 , 辐射不仅
4、在原子发射和吸收它时是一份一份的, 不连续的, 而且在脱离原子而独立存在时, 也是一份一份 , 不连续的。 这就是说辐射无论在与物质相互作用过程中 , 还是在传播过程中都是量子化的。普朗克迈出了量子理论的开创性的一步，然而由于经典观念的束缚，他这一步迈得很不彻底。爱因斯坦走了重要的第二步，把量子观念彻底化。让物理界感到震惊的是，在这篇论文问世之后 , 物理年鉴在同一年又在普朗克的支持下发表了爱因斯坦的另外3篇论文。7月发表用分子运动论解释布朗运动的论文(间接证明了分子的存在 ) ； 9 月发表“论运动物体的电动力学”(即狭义相对论 ) , 从今天的观点看来 , 上述4篇论文差不多都是可以获得诺
5、贝尔奖的。 1905 年，成为了震动世界的一年，一个原来无人知晓的26岁的青年人开创了物理学的新纪元。3 创世纪的狭义相对论建立相对论是爱因斯坦一生最伟大的成就，1900年前后，在人们头脑中“以太”观念占统治地位，大家都认为光波(电磁波 ) 是以太的弹性振动 , 麦克斯韦 (J. CMaxwell)就是从以太的弹性理论导出他的著名的电磁方程组的。一个需要弄清的问题是, 地球相对于以太是否运动 ? 那时候哥白尼的日心说和牛顿的绝对时空观都已被普遍接受。地球不是宇宙的中心 , 不应该相对于绝对空间静止。 比较合理的想法是 : 以太相对于绝对空间静止, 地球相对于以太 ( 即相对于绝对空间 ) 运动
6、。天文学的光行差现象(1728, 1810) 支持这一观点。但是, 精密的迈克尔逊 (A. Michelson, 1881,1887)实验却没有测到这一运动。另外 , 法国人斐索 (A. H. Fizeau, 1851)的流水实验表明 : 运动介质似乎会部分地带动以太 , 但又不全带动 , 即地球相对于以太似乎有一定程度的运动。斐索实验也与光行差现象矛盾。当时物理界的大多数人注意的是迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾, 而爱因斯坦主要注意的是斐索实验与光行差现象的矛盾。总之, 大家都觉得以太理论出现了矛盾。洛伦兹 (H. A. Lorentz, 1892)和斐兹杰惹 (GFFitzgerad, 1
7、889, 1893)各自独立地注意到 , 如果假定刚尺在相对以太(绝对空间 )运动的方向上会有如下的长度收缩( 洛伦兹收缩 ) / (2) 则迈克尔逊实验将测不出地球相对以太的运动速度( 他们认为这一速度 “实际是存在的”, 只是测不出而已 ) , 这样, 迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾就可以消除。式中 v 是刚尺相对以太的运动速度 , c是光速 ,0l 是刚尺静止时的长度 , l则是刚尺相对以太运动时的长度。洛伦兹注意到 , 从当时公认的伽利略变换=x vt (3)(3) 不仅推不出 (2) 式, 而且不能使麦克斯韦方程组在此变换下不变。 洛伦兹 1904 年给出了一个新的惯性系之间的变换关
8、系=，=y ，=z ， =(4) 此关系可以使麦克斯韦电磁理论在坐标变换下不变, 而且可以推出洛伦兹收缩的公式(2)。变换(4) 称为洛伦兹变换 , 此外, 在一些特殊的情况下 , 质量公式m=(5) 和质能关系式2mcE(6) 均已有人给出。但是 , 首先正确阐述相对论 , 认识到它是一个时空理论, 并给出完整理论体系和上述全部结论的是爱因斯坦, 而不是别人。这是因为 , 只有爱因斯坦在两个基本观念(“相对性原理”和“光速的绝对性”) 上同时实现了突破。“光速不变原理”不仅是说真空中的光速均匀各向同性, 是一个常数 c, 更重要的是说在任何惯性系中测量 , 真空中的光速都是同一个常数c。按照
9、人们的日常观念 , 如果相对于光源静止的观测者测得的光速是c, 那么以速度 v向着光源运动的观测者测到的光速将是(c + v) 。 而以速度 v背离光源运动的观测者测到的光速将是(c - v) 。爱因斯坦提出的“光速不变原理”则是说, 上述3个观测者测得的光速都是同一值c。也就是说 , 在爱因斯坦看来 , 光速是绝对的 , 对任何观测者都一样 , 与光源相对于观测者的运动无关。爱因斯坦以“相对性原理”和“光速的绝对性”( “光速不变原理” ) 为基石 , 建立起狭义相对论的理论体系, 并得到大量重要的让人难以理解的结论。其中, 他指出“同时”不是一个绝对的概念 , 而是一个相对的概念 , 也是
10、观念上的重要突破。在此之前 , 人们早已认识到两个事件是否发生在同一地点, 对不同观测者会有不同的结论, 即“同地”是一个相对的概念。但两个事件是否同时发生 , 则都认为是一个绝对的概念, 即任何观测者都会有相同的结论。爱因斯坦突破了这一观念, 指出“同时”也是相对的, 只不过我们通常接触到的参考系, 运动速度较小 , “同时的相对性”不明显。当运动速度接近光速时 , “同时的相对性”将明显地表现出来。在认识到“同时的相对性”之后, “动钟变慢”、“动尺缩短 ( 洛伦兹收缩 ) ”等效应就会变得比较容易理解。爱因斯坦提出相对论的划时代论文, 充满了难懂的革命性的新思想, 而只用了当时大学本科生
11、就能看懂的数学工具, 并且没有引用任何参考文献。 如果放在今天 , 这样的文章恐怕很难通过审稿。一般的审稿人不是看不懂其中的物理内容, 就是会轻视作者的数学水平 , 或者因作者不引文献而误认为文章的内容跟不上世界潮流, 显得没有水平。 爱因斯坦很幸运 , 这篇文章被送给水平高、 思想活跃而又不压制年轻人的普朗克审稿, 一下就被推荐发表在德国的物理年鉴上。此后, 他又连续发表几篇论文 , 建立起狭义相对论的全部框架。4 对统一场论的漫长艰难的探索从19251955年这30年中，除了关于量子力学的完备性问题、引力波以及广义相对论的运动问题以外，爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索
12、。1937年，他从广义相对论的引力场方程推导出运动方程，进一步揭示了空间时间、物质、运动之间的统一性，这是广义相对论的重大发展，也是爱因斯坦在科学创造活动中所取得的最后一个重大成果。可是在统一场论方面，他始终没有成功。他碰到过无数次失败，但从不气馁，每次都满怀信心地从头开始。一直到临终前一天，他还在病床上准备继续他的统一场论的数学计算。他在1948年就意识到，“我完成不了这项工作；它将被遗忘，但是将来会被重新发现。”历史的发展没有辜负他，由于70年代和 80年代一系列实验有力地支持电弱统一理论，统一场论的思想以新的形式显示它的生命力，为物理学未来的发展提供了一个大有希望的前景。参考文献 : 1 赵峥,探求上帝的秘密M , 北京 :北京师范大学出版社, 19971 2 赵凯华 ,罗蔚茵 1量子物理 M , 北京 :高等教育出版社, 20011
