关于时间和空间的论文
早在16岁的时候，爱因斯坦就从书上了解到，光是一种速度非常快的电磁波。他有一个主意。如果一个人以光速运动，会看到什么样的世界场景？他不会看到前进的光，只会看到在空间振荡却停滞不前的电磁场。这可能发生吗？
联系到这一点，他很想讨论与光波有关的所谓以太问题。以太一词来自希腊，用来表示构成天空中物体的基本元素。17世纪，笛卡尔首次将其引入科学，作为传播光的媒介。后来惠更斯进一步发展了以太理论，认为承载光波的介质是以太，应该充满包括真空在内的所有空间，渗透到普通物质中。与惠更斯的观点不同，牛顿提出了光的粒子说。牛顿认为，发光体发射出一股直线运动的粒子流，粒子流对视网膜的冲击造成了视觉。18世纪盛行牛顿的粒子说，但19世纪盛行的是波动说，以太的理论有了很大的发展。当时的观点是波的传播依赖于介质，因为光可以在真空中传播，传播光波的介质就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。在麦克斯韦、赫兹等人的努力下，形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，在理论和实践上统一了光和电磁现象，把光看成是一定频率范围内的电磁波，从而统一了光的波动理论和电磁理论。以太不仅是光波的载体，也是电磁场的载体。直到19年底，人们试图寻找以太，但在实验中始终没有找到以太。
但是电动力学遇到了一个大问题，与牛顿力学遵循的相对性原理不一致。相对论原理的思想早在伽利略和牛顿时代就存在了。电磁学的发展本来是包含在牛顿力学的框架内，但是在解释运动物体的电磁过程时遇到了困难。根据麦克斯韦理论，电磁波在真空中的速度，也就是光速，是一个常数。但根据牛顿力学的速度相加原理，不同惯性系中的光速是不同的，这就引出了一个问题:适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？比如有两辆车，一辆在向你靠近，一辆在离开。你看到前车的灯在向你靠近，后车的灯在远处。根据麦克斯韦理论，这两种光的速度是一样的，汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略的理论，这两项的测量结果是不同的。朝你开来的车会加速发出的光，也就是前车的光速=光速+速度；光离开汽车的速度更慢，因为汽车后面的光速=光速-光速。麦克斯韦和伽利略关于速度的说法显然是相反的。我们如何解决这个分歧？
理论物理在19世纪达到顶峰，但也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示了牛顿力学无可比拟的理论力量，电磁学和力学的统一使物理学呈现出形式上的整体性，被誉为“庄严雄伟的建筑体系和感人至深的美丽殿堂”。在人们的心目中，经典物理学已经到了近乎完美的地步。德国著名物理学家普朗克年轻时告诉老师，他要投身于理论物理。老师劝他:“小伙子，物理是一门已经完成的科学，不会再有进一步的发展了。把他的一生奉献给这个学科，真可惜。”
爱因斯坦似乎是那个将要建造一座崭新的物理大楼的人。爱因斯坦在伯尔尼专利局期间，广泛关注物理学的前沿动态，对许多问题进行了深入思考，形成了自己独特的观点。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真学习了麦克斯韦的电磁理论，尤其是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，但有一个问题让他不安，那就是绝对参照系以太的存在。他看了很多书，发现所有证明以太存在的实验都失败了。爱因斯坦研究后发现，以太在洛伦兹理论中除了作为绝对参考系和电磁场的负载外，没有任何实际意义。于是他想:有没有必要有一个绝对的参照系？电磁场一定要加载吗？
爱因斯坦喜欢阅读哲学著作，从哲学中吸取思想营养。他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理在力学中已被广泛证明，但在电动力学中不能成立。爱因斯坦对物理学的两个理论体系之间的逻辑不一致提出了质疑。他认为相对性原理应该是普遍成立的，所以对于每个惯性系，电磁理论应该有相同的形式，但这里出现了光速的问题。光速是恒定的还是可变的，成为相对论原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家普遍相信以太，即有一个绝对的参照系，这是受牛顿绝对空间概念的影响。19年底，马赫在《发展中的力学》中批判了牛顿的绝对时空观，给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，爱因斯坦和一个朋友贝佐讨论了这个探索了十年的问题。贝佐根据马赫主义的观点阐述了他的观点，他们对此进行了长时间的讨论。突然，爱因斯坦意识到了什么，回家反复思考，终于想通了。第二天，他又来到贝佐家，说，谢谢你，我的问题已经解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义，时间和光信号的速度有着密不可分的关系。他找到了这把锁的钥匙，经过五周的努力，爱因斯坦向人们展示了狭义相对论。
1905年6月30日，《德国物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论运动物体的电动力学》，并于同年9月发表。本文是关于狭义相对论的第一篇文章，包含了狭义相对论的基本思想和内容。狭义相对论基于两个原理: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坚信相对论原理。伽利略首先阐述了相对性原理的思想，但他没有给出时间和空间的明确定义。牛顿在建立力学体系的时候也讲了相对论，但是他也定义了绝对空间，绝对时间，绝对运动。他在这个问题上自相矛盾。爱因斯坦极大地发展了相对论原理。在他看来，没有绝对静止的空间，也没有绝对不变的时间。所有的时间和空间都与运动的物体联系在一起。对于任何一个参考系和坐标系，都只有属于这个参考系和坐标系的空间和时间。对于所有的惯性系来说，参照系的空间和时间所表达的物理规律在形式上是相同的，这就是相对性原理，严格来说就是狭义的相对性原理。在这篇文章中，爱因斯坦对于以光速不变作为基本原理的基础并没有过多的论述。他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对论原理的要求提出来的。这篇文章是爱因斯坦对以太和电动力学思考多年的结果。他同时从相对论的角度建立了一种全新的时空理论，并在这种新的时空理论的基础上给出了运动物体电动力学的完整形式。以太不再必要，以太漂移不存在。
同时的相对性是什么？我们怎么知道两个不同地方的事件同时发生？一般来说，我们会通过信号来确认。为了知道不同地方事件的同时性，我们必须知道信号传输的速度，但是为什么我们没有得到这个速度？我们必须测量两地之间的空间距离和信号传输所需的时间。空间距离的测量很简单，但麻烦在于测量时间。我们必须假设每个地方都有一个已经对准的时钟，从两个时钟的读数可以知道信号的传播时间。但是我们怎么知道不同地方的时钟是对的呢？答案是需要另一个信号。这个信号能把钟拨准吗？如果按照之前的思路，它需要一个新的信号，所以会无限后退，异地的同时性无法确认。但有一点是明确的，同时性必须与一个信号相关联，否则说这两件事同时发生是没有意义的。
光信号可能是最适合时钟的信号，但光速不是无限的，这导致了一个新颖的结论，即对于静止的观察者来说两件事同时发生对于运动的观察者来说并不同时发生。让我们想象一列高速列车，它的速度接近光速。当列车经过站台时，A站在站台上，A眼前出现两道闪电，一道在列车的前端，另一道在后端，在列车两端和站台的相应部位都留下了痕迹。通过测量，A和列车两端距离相等，结论是A同时看到了两道闪电。因此，对于A，两个接收到的光信号在相同的时间间隔内传播相同的距离，同时到达他的位置。这两件事必须同时发生，而且是同时发生的。但是对于在列车中央的B来说，情况就不一样了，因为B是随着高速列车移动的，所以他会先截取向他传播的前端信号，然后再接收后端的光信号。对于B来说，这两个事件在同一时间是不同的。换句话说，同时性不是绝对的，而是取决于观察者的运动状态。这个结论否定了基于牛顿力学的绝对时间和绝对空间的框架。
相对论认为光速在所有惯性参照系中都是恒定的，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，运动物体的时间会膨胀。但由于日常生活中遇到的问题，运动速度很低(与光速相比)，看不到相对论效应。
爱因斯坦在彻底改变时空观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。他还给出一个著名的质能关系式:E=mc2，对后来原子能的发展起到了指导作用。
广义相对论的建立
1905年，爱因斯坦发表了第一篇关于狭义相对论的文章，并没有立即引起很大反响。但是德国物理学权威普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以和哥白尼相媲美。正是由于普朗克的推动，相对论迅速成为研究和讨论的话题，爱因斯坦也引起了学术界的关注。
1907年，爱因斯坦听从了朋友的建议，提交了那篇著名的论文，申请联邦理工大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文看不懂。尽管爱因斯坦在德国物理学界名气很大，但在瑞士，他却无法在大学里获得教职，许多知名人士开始为他叫苦。1908年，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位，第二年成为副教授。1912年，爱因斯坦成为教授，1913年，应普朗克邀请，成为威廉皇帝新成立的物理研究所所长，柏林大学教授。
与此同时，爱因斯坦正在考虑扩展公认的相对论。对他来说，有两个问题让他不安。首先是引力的问题。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，但它无法解释万有引力的问题。牛顿的引力理论是超距离的，两个物体之间的引力相互作用是在瞬间传递的，即以无限的速度传递，这与相对论所依据的场的观点和光速的极限相冲突。第二个问题是非惯性系，狭义相对论和之前的物理定律一样，只适用于惯性系。但实际上很难找到真正的惯性系。从逻辑上讲，一切自然规律都不应局限于惯性系，非惯性系也必须考虑。狭义相对论很难解释所谓的孪生佯谬。矛盾的是有两个孪生兄弟。我的兄弟正在宇宙飞船中以接近光速的速度旅行。根据相对论的效应，高速时钟变慢了。等到哥哥回来的时候，哥哥已经很老了，因为在地球上已经几十年了。根据相对论原理，飞船相对于地球高速运动，地球也相对于飞船高速运动。弟弟看起来比哥哥年轻，哥哥应该看起来更年轻。这个问题根本无法回答。其实狭义相对论只处理匀速直线运动，我哥要经历一个变速运动的过程才能回来，相对论处理不了。当人们忙于理解相对的狭义相对论时，爱因斯坦正在接受广义相对论的完成。
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。
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。
爱因斯坦的广义相对论认为，时空会因为物质的存在而弯曲，引力场其实就是一个弯曲的时空。爱因斯坦关于空间被太阳引力弯曲的理论很好地解释了水星近日点岁差中无法解释的43秒。广义相对论的第二个预言是引力红移，即光谱在强引力场中向红端移动，这在20世纪20年代被天文学家证实。广义相对论的第三个预言是引力场使光发生偏转。离地球最近的引力场是太阳引力场。爱因斯坦预测，遥远的星光如果经过太阳表面，会偏转1.7秒。1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓励下，英国派出两支探险队，在两个地方观测日全食。经过仔细研究，最后的结论是星光确实绕太阳偏转了1.7秒。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、英国皇家学会会长唐慕孙说，“这是自牛顿时代以来引力理论最重大的成就”，“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成就之一”。爱因斯坦成了新闻人物。1916年，他写了一本书《论狭义相对论和广义相对论》，被1922重印了40次，还被翻译成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的发展和现代人类思维的发展有很大的影响。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数的问题，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。
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。
广义相对论建立了完善的引力理论，主要涉及天体。时至今日，相对论宇宙学有了进一步的发展，属于相对论天体物理的引力波物理、致密天体物理和黑洞物理都取得了一定的进展，吸引了很多科学家来研究。
一位法国物理学家曾这样评价爱因斯坦:“爱因斯坦将走在我们这个时代物理学家的前列。”他现在是，将来也会是人类宇宙中最杰出的超级巨星之一。“在我看来，他可能比牛顿更伟大，因为他对科学的贡献更深入地进入了人类思想基本要义的结构。”
受访者:耀哥-书生二级7-11 13:13。
相对论是关于时空和引力的基础理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论(狭义相对论)和广义相对论(广义相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理、相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学不适合高速运动的物体和微观条件下的物体。相对论解决了高速运动的问题；量子力学解决的是微观亚原子条件下的问题。相对论极大地改变了宇宙和自然的常识概念，提出了同时相对论、四维时空、弯曲空间等新概念。
狭义相对论是一种只限于讨论惯性系的相对论。牛顿的时空观认为，空间是平坦的、各向同性的、各向同性的三维空间——绝对空间，时间是独立于空间的单一维度(因而是绝对的)，即绝对时空观。狭义相对论认为空间和时间不是相互独立的，而是一个统一的四维时空整体，不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平坦的、各向同性的、各向同性的，这是与“全球惯性系”相对应的理想情况。狭义相对论假设真空中光速不变，结合狭义相对论原理和上述时空性质可以推导出洛伦兹变换。
广义相对论是爱因斯坦在1915年发表的理论。爱因斯坦提出了“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这个原理是基于引力质量和惯性质量的等效性(目前通过实验确认在10之间？在12的精度范围内，引力质量和惯性质量仍然没有区别)。根据等效原理，爱因斯坦将狭义的相对性原理推广到广义的相对性原理，即物理定律的形式在所有参考系中都是不变的。物体的运动方程是参考系中的测地线方程。测地线方程与物体本身的固有性质无关，只取决于时间和空间的局部几何性质。而引力是时空局部几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲。在弯曲的时空里，物体仍然沿着最短的距离运动(也就是沿着测地线——在欧几里得空间里)。比如太阳引起的地球在弯曲时空中的测地线运动，实际上是绕着太阳转，产生引力效应。就像在地球的曲面上，如果做直线运动，实际上是绕着地球表面的大圆走。
反向相对论:相对论也受到很多人的批评，认为它是错误的，极大地阻碍了社会的发展。然而，这种观点并不被主流科学界所接受。
爱因斯坦和他的相对论
除了量子理论，爱因斯坦在1905年发表的一篇题为《论运动物体的电动力学》的文章引发了20世纪物理学的又一次革命。本文研究的是物体运动对光学现象的影响，这是当时经典物理学面临的又一难题。
19世纪中期，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言了以光速c传播的电磁波的存在，到19世纪末，麦克斯韦的理论被实验完全证实。什么是电磁波？它的传播速度c给谁？当时流行的观点是整个宇宙充满了一种叫做“以太”的特殊物质，电磁波就是以太振动的传播。但是人们发现这是一个充满矛盾的理论。如果我们认为地球是在静止的以太中运动，那么根据速度叠加原理，光在地球上不同方向传播的速度一定是不同的，但是实验否定了这个结论。如果我们认为以太是被地球带走的，显然与一些天文观测不符。
1887年，迈克尔逊和莫雷利用光的干涉现象进行了非常精确的测量，但他们仍然没有发现地球相对于以太的任何运动。对此，H.A .洛伦兹提出了一个假设，所有在以太中运动的物体都应该沿着运动方向收缩。由此，他证明了即使地球相对于以太运动，迈克尔逊也找不到。爱因斯坦从完全不同的思维方式研究这个问题。他指出，只要放弃牛顿的绝对空间和绝对时间的概念，一切困难都可以解决，根本不需要以太。
爱因斯坦提出了两个基本原理，作为讨论运动物体光学现象的基础。第一个叫做相对性原理。意思是说，如果坐标系K '相对于坐标系K匀速运动而不旋转，那么在任何相对于这两个坐标系所做的物理实验中，都无法区分哪个坐标系是K，哪个坐标系是K '。第二个原理叫做光速不变原理，意思是光速c(在真空中)是不变的，它不依赖于发光物体的移动速度。
从表面上看，光速不变似乎与相对性原理相冲突。因为根据经典机械速度合成定律，对于以相对匀速运动的K '和K两个坐标系，光速应该是不同的。爱因斯坦认为，如果要承认这两个原理并不冲突，就必须重新分析时间和空间的物理概念。
经典力学中的速度合成定律，其实取决于以下两个假设:1。两个事件之间的时间间隔与用来测量时间的时钟的运动状态无关；2.两点之间的空间距离与用来测量距离的尺子的运动状态无关。爱因斯坦发现，如果承认光速不变原理和相对论原理是相容的，那么这两个假设都必须抛弃。这时，一个时钟同时发生的事件对另一个时钟来说不一定是同时的，同时具有相对性。在有相对运动的两个坐标系中，测量两个特定点之间的距离所得到的值不再相等。距离也有相对性。
如果K坐标系中的一个事件可以由三个空间坐标X、Y、Z和一个时间坐标T确定，而K坐标系中的同一个事件由X’、Y’、Z’和T’确定，爱因斯坦发现X’、Y’、Z’和T’可以由一组方程求出。两个坐标系的相对速度和光速c是方程仅有的参数。这个方程最早是由洛伦兹导出的，所以叫洛伦兹变换。
利用洛伦兹变换，很容易证明钟会因为运动而变慢，尺子在运动时会比静止时短，速度之和满足一个新的定律。相对论原理也表述为一个明确的数学条件，即在洛仑兹变换下，带撇号的时空变量X’、Y’、Z’和T’将代替时空变量X、Y、Z和T，任何自然规律的表述仍将采取和以前一样的形式。人们所说的自然普遍规律对于洛伦兹变换是协变的。这对我们探索自然的普遍规律非常重要。
此外，在经典物理学中，时间是绝对的。它一直扮演着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论涉及时间和空间。认为物理的真实世界是由各种事件组成的，每个事件由四个数字描述。这四个数字就是它的时空坐标T和X，Y，Z，构成了一个四维连续空间，通常称为闵可夫斯基四维空间。在相对论中，用四维的方式来审视物理的真实世界是很自然的。狭义相对论引起的另一个重要结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦之前，物理学家一直认为质量和能量是完全不同的，是分别守恒的量。爱因斯坦发现，在相对论中，质量和能量是不可分的，两个守恒定律合二为一。他给出了一个著名的质能公式:e = mc2，其中c是光速。所以质量可以看作是它的能量的一种度量。计算表明微小的质量蕴含着巨大的能量。这个奇妙的公式为人类获得巨大的能量，制造原子弹氢弹，利用原子能发电奠定了理论基础。
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全新概念。旧的思维方式的障碍使得这个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年英国皇家瑞典学院科学奖授予爱因斯坦的时候，也只是说“因为他对理论物理的贡献，还因为他发现了光电效应定律。”对相对论只字不提。
爱因斯坦在1915年进一步建立了广义相对论。狭义上的相对性原理只限于匀速运动的两个坐标系，而广义相对性原理中取消了匀速运动的限制。他引入了一个等价原理，认为我们不可能区分引力效应和非匀速运动，即非匀速运动和引力是等价的。他进一步分析了光在经过一条线附近时会被引力弯曲的现象，认为引力这个概念本身完全没有必要。可以认为行星的质量使得其附近的空间是弯曲的，光线走的是最短的路径。基于这些讨论，爱因斯坦导出了一组方程，可以确定由于物质的存在而导致的弯曲空间几何。利用这个方程，爱因斯坦计算出了水星近日点的位移，与实验观测完全一致，解决了一个长期无法解释的难题，让爱因斯坦兴奋不已。他在给埃伦费斯特的信中写道...这个方程给出了近日点的正确值。你可以想象我有多开心！好几天，我高兴得都不知道该怎么办了。”
1915 165438+10月25日，爱因斯坦向柏林普鲁士科学院提交了一篇题为《万有引力方程》的论文，该论文对广义相对论进行了充分的论述。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运动之谜，还预言了星光经过太阳后会发生偏转，偏转角度相当于牛顿理论预测值的两倍。第一次世界大战推迟了这一数值的确定。1919年5月25日的日全食，为人们提供了战后第一次观测机会。英国人爱丁顿去了非洲西海岸的普林西比岛，做了这个观察。165438+10月6日，汤姆逊在英国皇家学会和英国皇家天文学会的联席会议上郑重宣布，是爱因斯坦而不是牛顿证明了这个结果。他称赞“这是人类思想史上最伟大的成就之一。”爱因斯坦发现的不是一个孤岛，而是一个全新的科学思想大陆。“《泰晤士报》以“科学中的革命”为题报道了这一重要新闻。这个消息传遍了全世界，爱因斯坦成了举世闻名的名人。广义相对论也被提升到了一个神话般的神圣地位。
此后，人们对广义相对论的实验检验表现出越来越大的兴趣。但是由于太阳系的引力场很弱，引力效应本身很小，广义相对论的理论结果与牛顿的引力理论偏离很小，使得观测非常困难。自20世纪70年代以来，由于射电天文学的进步，观测距离已经远远超过。