爱因斯坦与相对论详解版

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1、 “爱因斯坦”无处不在 毫不夸张地说，根据爱因斯坦创立的科学理论而衍生出的发 明创造，几乎涵盖了现代文明的每一个角落。电脑游戏、公共 汽车、数码照相机我们衣食住行的每个细节都闪现着爱因 斯坦的影子。1979年，联合国教科文组织在爱因斯坦诞生100周年发行一枚纪念章。纪念章的正 面是爱因斯坦的晚年头像，背面是爱因斯坦对物理学做出重大贡献的三个数学公式 。电脑显示器 在短促的瞬间，电子显像在显示屏上 这正好符合爱因斯坦的狭义相对论。发明电脑显示器的工程师必须使显示 器符合“相对论效应”，否则控制电子飞 驰的磁铁就会在显示屏上产生模糊图像， 使你无法工作。精准的激光 当你到超市购物，你手里的每一件商

2、品条 形码也得益于爱因斯坦的激光理论，只有 激光才能准确读出条形码中的编码。爱因斯坦的科学理论在现实生活中的应用数码相机 假期你和家人轻松郊游。当你打开数码相机 ，准备摄下家人温馨的笑容时，要先感谢爱 因斯坦。从镜头飞进来的光子会把半导体里 的电子挤走，这同样利用了宝贵的光电效应 。全球定位系统 万一彩票中了大奖，得意忘形的你不幸成为 寻人启事中主角，那也没有关系，你身上携 带的GPS（全球定位系统）能帮助你与搜索人 员取得联系。 全球定位系统之所以能将物体的位置精确到 米，正是根据爱因斯坦的相对论对地球卫星 发生的信号进行了修正。爱因斯坦的科学理论在现实生活中的应用烟雾探测器 这里用一个假设

3、的“你”做比喻。早晨当你从 下榻的宾馆起来，走出房间准备晨练时，请 注意你头上的烟雾探测器。它利用放射性物 质镅-241释放出能量，产生一小束带电粒子 。一旦发生意外，从火焰里冒出来的烟雾与 粒子束发生反应，触动警报器自动拉响。平坦的公路 回到家后你要开车去上班，你车轮下的 平坦公路里也刻着爱因斯坦的功劳。在 爱因斯坦的博士论文中探讨了在不同溶 液中测量分子的新方法，这些方法后来 成为胶体化学的基本方法。建材工程师 在建造公路时，就是利用他的研究成果 。爱因斯坦的科学理论在现实生活中的应用药物 倘若你身体有点小毛病，需要药物调理。许多药物制造 得益于爱因斯坦那篇有关布朗运动的论文。 英国植物学

4、家罗伯特布朗最先观察到，悬浮的液体中的 微粒永远不停地做无规则运动。爱因斯坦则利用布朗运动 创立了将微观数量和宏观数量联系在一起的统计法。 直到今天，这些统计法仍是全世界药剂师必须遵循的配 比法则。爱因斯坦的科学理论在现实生活中的应用控制X射线的能量 你长了一个肿瘤，幸亏是良性的，但因长 在胸腺上，手术后需要放射治疗。医生在 为你实施放射治疗前，需要估计X射线可 能对你细胞造成的伤害，根据就是爱因斯 坦的E=mc2。 在艾萨克牛顿墓志铭中，英国诗人亚历山大蒲伯写道 ：“大自然和自然定律都在黑暗中躲藏上帝说，让牛顿问世！于是一切大白于天光。”英国现代派诗人斯奎尔（ J.CSquire 18841

5、958）在 其讽刺诗体集中对蒲伯的上述两句诗做出了回应：“此情形并未能持久：魔鬼喝道“嗬！让爱因斯坦问世！”世界又变得难以捉摸。”爱因斯坦（18791955 ） 美籍德国犹太人。他创立了代表 现代科学的相对论，并为核能开发奠 定了理论基础，在现代科学技术和它 的深刻影响及广泛应用方面开创了现 代科学新纪元，被公认为自伽利略、 牛顿以来最伟大的科学家、思想家。 1921年诺贝尔物理学奖获得者。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 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”。 1879

6、年3月14日，爱因斯坦出 生于德国东部的乌尔姆，犹 太血统。他的父亲很有数学 天赋，但父母没钱供他上学 ，只好弃学经商，爱因斯坦 的母亲很有音乐天赋。他生 长在一个无忧无虑的家庭中 ，父母对他十分宽容的，循 循善诱地帮助他成长与发展 。年幼时，爱因斯坦就开始 学习音乐，六岁开始练习拉 小提琴，音乐几乎成了爱因 斯坦的“第二职业“，小提琴 终身陪伴着他。爱因斯坦和的妹妹玛伽, 他在整个一生中与 他的妹妹玛亚始终保持十分密切的关系。 他从这种家庭温暖中继承了善良与正直.这是爱因斯坦出生地德国的乌尔姆镇 大(Ulm)。爱因斯坦来到这世界已经3年了 ，三岁多还不会讲话，并且直到九岁时讲 话还不很通畅，

7、所讲的每一句话都必须经 过吃力但认真的思考。他不像其他孩子天 真活泼，爱说爱笑。他总喜欢静静地歪着 脑袋倾听母亲弹奏优美动人的音乐。爱因 斯坦的父亲喜欢郊游，经常兴高采烈地带 着全家人到野外去游玩。然而，他却不爱说话，不能用语言把 一切表达出来。小爱因斯坦在常人眼里， 并不是一个聪明的孩子，这一方面是因为 他不大会说，一方面则因为他总是提出一 些希奇古怪的问题，让人觉得有些低能、 傻气，大人们甚至怀疑他的智商是否有障 碍。爱因斯坦那被人误认为“平庸、低能” 的小脑瓜里，充满了对这陌生世界的苦思 冥想、百思不解，几乎没有安宁的时候。 乌尔姆镇大会堂在爱因斯坦5岁的时候，一天，爸爸送给他一件小玩

8、具罗盘。对新鲜事物充满好奇的小阿尔伯特为此心 花怒放，爱不释手地摆弄起来。无论他怎样转来转去， 那根针就是不听指挥，红色的一端依然牢牢地指向北方 。 “太奇怪了” 爱因斯坦不知所措地喃喃着，“ 这到底是为什么？”这个童年之迷就此深深刻印在他的 记忆中，挥之不去。也许，爱因斯坦日后对电磁场的深 入研究，其灵感就是源于童年时代那迷一样的小玩具罗 盘呢。到了上学年龄，与同龄孩子相比，小爱因斯坦依 然显得十分木讷，动作迟缓呆笨。他虽然很愚笨，然而 却很善良。6岁时，爱因斯坦迷上了音乐，开始学小提琴 。喜欢音乐，能用小提琴熟练地演奏莫扎特的奏鸣曲。 然而，练习小提琴时机械、重复的弓法和指法又令他心 生厌

9、倦。 爱因斯坦小时候学校的照片爱因斯坦小时候学校的照片 爱因斯坦的学生时代10岁那年，小爱因斯坦告别了小学成了中学生。但 学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课都不 怎么样，尤其是拉丁文和希腊文，他对古典语言毫 无兴趣。一次他的父亲来学校了解儿子的情况并问 班主任老师,他的儿子将来做什么合适。老师直言不 讳地说“做什么都无关紧要,你的儿子将是一事无成 的”。可是数学成了他中学时代的最大的业余爱好。 随着年龄的增大，爱因斯坦的眼界渐渐开阔，能使 他产生兴趣的事物也越来越复杂。12岁时，他得到 一本几何教科书。竟然一口气把全书读完，深深为 几何定理的精密、明确和严密所折服。每当用自己 特有的方法

10、将定理再次予以证明，爱因斯坦总会高 兴得欣喜若狂。不久，他又自学了高等数学，中学 老师已不是他的对手。 16岁那年，又一个极富挑战性的问题占据了他的头脑：假如某种光的接 受器，比如：人的眼睛或是摄影机，跟随在光的后面，用光速飞奔，那 么，会发生什么情形？他把问题捕捉住，记在本子上。正是这个令爱因 斯坦日思夜想的高难问题，孕育了未来相对论的神奇萌芽。也许，这可 以看作是小爱因斯坦向科学堡垒发起的第一次勇敢进攻。就是这样一位光彩夺目的人物，在整个中小学 时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“不 守纪律、心不在焉、想入非非”。中学毕业前夕， 校方甚至断言他未来将“一事无成”，勒令他退了 学。16

11、岁那年，他以同等学历报考大学，尽管物理 数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了 锅，只得名落孙山。第二年进入大学后，他仍然不 愿意强迫自己去适应那种被动的、刻板的、纯粹按 部就班的学习生活，他擅自“刷掉了”很多课程， 只以“极大的兴趣”去听某些课和在家里自学。在四年大学生活中，他仍然不是“好学生”：曾被数学教授称为“懒狗”，曾因 做实验出事故受到处分，还曾被物理教授认为不适宜学物理而应当改行。大学毕业时 几位同窗好友都留校当了助教，由于他的落拓不羁的性格和独立思考的习惯，为教授 们所不满，大学一毕业就失业，两年后才找到固定职业。这种种亲身经历，使爱因斯 坦对教育的总体印象一直不佳。正因为

12、如此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长 期的观察，形成了一种与众不同的教育观点。“知识是死的，而学校却要为活人服务。”这是爱因斯坦对于学校教育的基本看 法。他反对把学校仅仅看做是传授知识的工具，更反对把学生“当作死的工具来对待 ”。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人 ，而不是作为一个专家。”爱因斯坦没有通过大学的入学考试 而所谓“和谐的人”，按照他的思路，就是既富 有个性又有益于社会的人。爱因斯坦的上述基本教育 思想，与我们所主张的尊重学生主体性、促进学生健 康成长的素质教育思想是完全一致的。1905年，26岁 的爱因斯坦尚未知名，小人物写出了大文章。他在

13、科 学史上创造了一个史无前例奇迹。这一年他写了六篇论文， 利用在专利局每天八小时工作以外的业余时间，在三个领域 做出了四个有划时代意义的贡献，他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论。 年仅26岁的爱因斯坦，而且是一个瑞士专利局的职员 ，在大学里老师都不大看得起他，不愿意把他留下来 做助教，他几次去请求，人家也不要他，他甚至于有 几次几乎要失业了，几次在中学里面求职，最后在专 利局里面找到一个职位，他每个星期要在专利局工作 大概40多个小时。但尽管如此，这一年是他最辉煌的 时期，因为他做出了二十世纪物理学史上最辉煌的几 项贡献。 伯尔尼一条繁忙的街道和市 内著名的钟楼景色

14、。爱因斯坦在专利局的工作既有责任感也很有趣， 并且他有时间从事自己的科学研究工作。爱因斯坦的相对论认 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。 狭义相对论1966年，科学家 在实验中测得子绕 圆形轨道高速运动时 ，其平均寿命比在地 面上静止的子的平 均寿命长。1971年， 科学家们又观察到了 放在卫星上绕地球旋 转的原子钟比地面上 的原子钟走的慢得多 的现象。这些实验证 明了狭义相对论的正 确性，同时也就间接 解释了“双生子

15、佯谬” 这个问题。狭义相对论的证明狭义相对论最著名的推论是 质能公式E=mc2，它说明了 质量随能量的增加而增加。它也 可以用来解释核反应所释放的巨 大能量，但它不是导致原子弹的 诞生的原因。 狭义相对论的副产品广义相对论的提出1915年11月25日， 爱因斯坦把题为“万有引 力方程”的论文提交给了 柏林的普鲁士科学院， 完整地论述了广义相对 论。在这篇文章中他不 仅解释了天文观测中发 现的水星轨道近日点移 动之谜，而且还预言： 星光经过太阳会发生偏 折，偏折角度相当于牛 顿理论所预言的数值的 两倍。爱因斯坦指出物体 使周围空间、时间 弯曲，在物体具有 很大的相对质量（ 例如一颗恒星）时 ，这

16、种弯曲可使从 它旁边经过的任何 其它事物，即使是 光线，改变路径。地球周围引力场和时空结构 拖曳扭曲时的情景。科学家通 过分析两枚绕地球轨道的人造 卫星11年的运行轨迹，发现由 于地球旋转所造成的特异的空 间结构，使这些卫星大概每年 出现大约2米的轨道偏离的现象 。宇宙中黑洞旋转引起的时 空扭曲效应，以及黑洞物 质猛烈喷发的情景。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，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 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，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