爱因斯坦的广义相对论:引力是时空的曲率
爱因斯坦出生在德国乌尔姆的一个犹太家庭(父母都是犹太人)。1900毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院，成为瑞士公民？[1-4]?。1905年，爱因斯坦获得苏黎世大学物理学博士学位，提出光子假说，成功解释光电效应(因此获得1921诺贝尔物理学奖)？[1-4]?；同年创立狭义相对论，1915年创立广义相对论，1933年移居美国，普林斯顿高等研究院工作，1940年在保留瑞士国籍的同时成为美国公民？[1-4]?。1955 4月18日，爱因斯坦在美国新泽西州普林斯顿去世，享年76岁？[1-4]?。19965438+2月，爱因斯坦被美国《时代》杂志评选为20世纪“世纪人物”。
爱因斯坦的理论为核能的发展奠定了理论基础。在利奥·齐拉特和其他人的帮助下，他给美国总统富兰克林·罗斯福写了一封信，这封信直接促成了曼哈顿计划的启动。二战后积极倡导和平，反对使用核武器，签署了《罗素-爱因斯坦宣言》？[4-8]?。爱因斯坦开创了现代科技的新纪元，被公认为继伽利略和牛顿之后最伟大的物理学家。
光电效应是德国物理学家赫兹在1887年发现的，爱因斯坦提出了正确的理论解释。爱因斯坦论证说，光的能量不是均匀分布的，而是加载在离散的光量子上，光子的能量与其构成的光的频率有关。这一突破性的理论不仅可以解释光电效应，还推动了量子力学的诞生。
1905年，爱因斯坦提出光子假说，成功解释光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理学奖。？[2]?[16]?[14]
光电效应可分为光电子发射、光电导效应和光伏效应。前一种现象发生在物体表面，也称为外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内部光电效应。？[14]
赫兹在1887年发现了光电效应，爱因斯坦第一个成功解释了光电效应(金属表面在光照射作用下发射电子的效应，发射的电子称为光电子)。只有当光的波长小于某个临界值时，才能发射电子，也就是极限波长，对应的光的频率称为极限频率。临界值取决于金属材料，发射电子的能量取决于光的波长，与光的强度无关，不能用光的涨落来解释。和光的波动也有矛盾，就是光电效应的瞬时性。根据涨落理论，如果入射光较弱，照射时间较长，金属中的电子可以积累足够的能量，飞出金属表面。但事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，无论光的亮度强弱，光子的产生几乎是瞬间的，不超过十减九秒。正确的解释是，光必须由与波长相关的严格定义的能量单位(即光子或光量子)组成。？[2]
在光电效应中，电子的发射方向不是完全定向的，而是大部分垂直于金属表面发射，与照射方向无关。光是电磁波，但光是高频振荡的正交电磁场，振幅很小，不会影响电子的发射方向。？[14]
广义相对论是一种描述物质间引力相互作用的理论。它的基础由爱因斯坦于1915年完成，并于1916年正式发表。该理论首次将引力场解释为时空的曲率。
爱因斯坦曾试图将万有引力定律纳入相对论的框架。几次失败后，他终于意识到狭义相对论不能容纳万有引力定律。因此，他将狭义相对论的原理推广到广义相对论，利用局部惯性系中万有引力与惯性力等效的原理，建立了用弯曲时空的黎曼几何描述引力的广义相对论。
1907年，爱因斯坦写了一篇关于狭义相对论的长文《论相对论原理及由此得出的结论》。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不断发展。基于惯性质量与引力质量成正比的自然定律，他提出无限小体积内的均匀引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦还提出了封闭盒子的观点:无论用什么方法，封闭盒子里的观察者都无法确定自己是仍处于引力场，还是处于没有引力场但正在加速的空间。这是解释等效原理最常用的观点，惯性质量和引力质量相等是等效原理的自然推论。？[14]
1915438+01年6月，爱因斯坦向普鲁士科学院提交了四篇论文。在这四篇论文中，他提出了新的观点，证明了水星近日点的岁差，给出了正确的引力场方程。至此，广义相对论的基本问题已经解决，广义相对论诞生了。
1916年，爱因斯坦完成了他的长篇论文《广义相对论基础》。在这篇文章中，爱因斯坦首先把曾经适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，把只有惯性系的物理定律才与狭义相对论原理相同的原理称为狭义相对论，并进一步表述了广义相对论原理:对于任何运动的参考系，物理定律都必须成立。？[14]
相对论的意义:狭义相对论和广义相对论成立已经很久了。它经受了实践和历史的考验，是公认的真理。相对论对现代物理学和现代人类思想的发展影响很大。相对论在逻辑上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完善的科学体系。狭义相对论在狭义相对论原理的基础上，统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学，指出两者都服从狭义相对论原理，对洛伦兹变换是协变的，而牛顿力学只是物体低速运动的一个很好的近似定律。广义相对论在广义协变的基础上，通过等价原理建立了局域惯性长度与普适参考系数的关系，得到了所有物理定律的广义协变形式，建立了广义协变引力理论，而牛顿引力理论只是它的一阶近似。这从根本上解决了过去物理学局限于惯性系的问题，在逻辑上得到了合理的安排。相对论严格考察了时间、空间、物质、运动等物理学的基本概念，给出了科学系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为一个完善的科学体系。？[14]
狭义相对论给出了物体高速运动的规律，并提出质量和能量是等价的，给出了质能关系。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在微观粒子的研究中却极其重要。因为微观粒子的速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系不仅为量子理论的建立和发展创造了必要条件，也为核物理的发展和应用提供了基础。？[14]
当时地球上的大多数物理学家，包括相对论变换关系的创始人洛伦茨，都很难接受爱因斯坦引入的这些新概念。甚至有人说“那时候世界上只有两个半人懂相对论”。旧的思维方式的障碍使得这种新的物理理论直到一代人以后才被物理学家所熟悉。甚至在1922年英国皇家科学瑞典学院授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖时，也只是说，“因为他对理论物理的贡献，更因为他发现了光电效应定律。”爱因斯坦的诺贝尔物理学奖被授予，却没有提及爱因斯坦的相对论。(注:相对论没得诺贝尔奖。其中一个重要的原因就是还缺乏大量的事实验证。)?[14]
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