关于爱因斯坦和相对论的故事
相对论是爱因斯坦创⽴的⼀个关于时间、空间和物质之间关系的理论。它分为狭义相对论和⼴义相对论两个部分。那爱因斯坦是怎么创⽴的呢?下⾯我们就⼀起来看看吧!
爱因斯坦和相对论
早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快的速度前进的电磁波，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框架的，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。德国着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10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。他阅读了许多着作后发现，所有⼈试图证明以太存在的试验都是失败的。但经他研究发现，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：以太作为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着作，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，马赫在所着的《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，爱因斯坦与朋友贝索讨论这个已探索了10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。他到了开锁的钥匙，经过5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。
1905年6⽉30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，但如何测出这⼀速度呢?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⽆意义的。光信号可能是⽤来对时钟最合适的信号，但光速并⾮⽆限⼤，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。他给出了着名的质能关系式：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。
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，提交了那篇着名的论⽂去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。
拓展
在霍⾦证明⿊洞能发出辐射之前，⿊洞被认为只会贪婪地吸取周围的⼀切，甚⾄连光都不放过，不会发射出任何东西，因⽽所有落⼊⿊洞的物质和信息都不能出来，⿊洞的最终命运是什么谁也不知道。这就带来⼀个问题，既然我们⽆从得知⿊洞最终会怎样，我们⼜如何知道宇宙最终会⾛向什么⽅向呢?
霍⾦认为，在真空中由量⼦涨落产⽣的虚粒⼦对，其中⼀颗有可能在湮灭之前落⼊⿊洞，另⼀颗就必然会被提升为实粒⼦。这就违背了能量守恒定律，因此这颗粒⼦的质量⼀定是从⿊洞本⾝质量⽽来，这样⿊洞就形成了⼀种辐射，这种辐射以霍⾦的名字被命名为霍⾦辐射。
⼀般⿊洞由于不断吸取周围的物质，吸收的物质⽐发出的要多得多，因⽽可以存活⾮常长的时间。科学家们测算，⼀般恒星死亡产⽣的⿊洞可以存活10^66年，⽽超⼤质量⿊洞则可以活10^99年，所以宇宙的归宿⾄少得等所有的⿊洞都蒸发掉才会明朗。
⽽⼩⿊洞则辐射的能量⽐吸收的多，因⽽会逐渐失去质量。⼤爆炸模型表明，⼤爆炸后最初的⼀⼩段时间有着极⾼的温度与压强，因⽽物质密度的简单波动就可能形成原初⿊洞，但我们迄今没有发现这类
⿊洞，很有可能就是因为它们质量太⼩，到现在已经蒸发殆尽。理论认为，⼤型强⼦对撞机也可能产⽣微型⿊洞，但这类⿊洞质量极⼩，在产⽣的瞬间就会蒸发，因⽽不会对地球造成任何威胁，所以也不会带来世界末⽇。
由于⿊洞的质量可以是普朗克质量以上的任何质量，所以最⼩⿊洞的质量应该和普朗克质量差不多，那么它的寿命差不多也就是普朗克时间稍长⼀点吧，5.39X10^-44秒，⼩到你连⼈⽣都⽆法怀疑。
需要说明的是，霍⾦辐射是第⼀个令⼈信服的量⼦引⼒理论，但⽬前还未实际观察到霍⾦辐射的存在。霍⾦曾经说过，如果能验证霍⾦辐射确实存在，他就可以得诺贝尔奖了
狭义相对论最⼤的贡献在于：
1、认为时间和空间是⼀个整体，建⽴了四维时空;
2、认为能量和动量是⼀个整体，建⽴了四维动量。
但是众所周知，狭义相对论还是不完善的。⽐如说，狭义相对论导致惯性系⽆法被定义，因为我们不可能通过⼀个实验同时来判断⼀个物体是不是处于⼀个惯性系中和受不受⼒；还有，狭义相对论⽆法囊括万有引⼒，这在当时只发现电磁⼒和万有引⼒的时代来说是相当危险的，准确来说是严重的困难和⽆⽐的遗憾。
关于惯性系⽆法定义的问题，我在这⾥着多点笔墨，这牵扯到后⾯要提的⼴义相对论：
伽利略的故事 我们知道，狭义相对论是建⽴在惯性系上的，但是狭义相对论同时造成了惯性系⽆法被定义。⽜顿认为，存在⼀个绝对空间，所有相对于绝对空间静⽌和做匀速直线运动的参考系都是惯性系。⽽爱因斯坦认为不存在绝对空间，于是⽤⽜顿定义惯性系的⽅法显然⽆效了。
那怎么办?否定掉了⼀个解释必须得出替代的说法是不?于是就有⼈提出，把惯性系定义为，不受⼒的物体能在其中保持静⽌或者匀速直线运动状态的参考系，即把⽜顿第⼀定律(惯性定律)视为惯性系的定义。
但是，这么⼀来，你如何去判断⼀个物体到底受⼒不受⼒呢?于是⼜有⼈说，物体在惯性系中，能保持静⽌或匀速直线运动状态的就是不受⼒。
这下我们可以发现，关于惯性系的定义我们已经陷⼊了⼀个逻辑循环：定义“惯性系”要⽤到“不受⼒”，定义“不受⼒”⼜要回头⽤到“惯性系”，这下问题可⼤了，物理学上是不允许有这样的情况发⽣的。
怎么办?怎么解决这个问题?同时还有万有引⼒的问题如何解释?爱因斯坦说，让我想想吧。于是，⼀想就⾜⾜想了⼗年!——1916年⼴义相对论发表。那么爱因斯坦是如何解决这两⼤困难的呢?
爱因斯坦在想，既然我惯性系⽆法定义，那么⼲嘛我还要⽤它呢?⼲嘛还⾮得惯性系不惯性系的呢?我
直接把惯性系这个扔了，把狭义相对论的观点结论推⼴到⾮惯性系中也能成⽴不就⾏了嘛?也就是说把原来的相对性原理“物理规律在⼀切的惯性系中都相同”推⼴为“物理规律在⼀切的参考系中都相同”，这样就不需要再去定义惯性系的问题了可以把这个讨厌的问题撇开了不是吗?妙，这招妙，⽤不着的或者是没法⽤的就直接扔了，伟⼈就是伟⼈!
话虽是这么说，但是这样就导致了⼀个问题：惯性⼒的问题没法处理。惯性系跟⾮惯性系的区别就是⾮惯性系中存在⼀个惯性⼒。在经典物理学中，⽜顿认为所有的惯性⼒都起源于物体相对于绝对空间的加速，只有相对于绝对空间的加速才是真的加速，才产⽣惯性⼒。惯性⼒的特点之⼀就是没有反作⽤⼒，也就是说惯性⼒与真实的⼒不同，它不起源于相互作⽤。现在都不要惯性系了，那⾮惯性系⾥头存在的惯性⼒，怎么解决这个问题呢?
伟⼤的爱因斯坦就想，惯性⼒有⼀个重要的特点，即惯性⼒与物体的惯性质量成正⽐，这个特点跟万有引⼒特别相似，会不会两者的本质是⼀样的呢?另外，爱因斯坦⼜发现⽜顿⼒学中引⼒质量和惯性质量精确相等的事实，同时⼜想起⾃⼰钦佩的哲学家马赫也认为根本不存在绝对空间，也不存在绝对运动，⼀切的运动都是相对的，惯性起源于物体间的相互作⽤!这下爱因斯坦⽴刻意识到，狭义相对论遇到的两个困难，实际上是⼀个困难!
于是，到了这⾥爱因斯坦⾮常地激动，并提出了⾮常有名的等效原理，且有了⾮常著名的“电梯思想实验”，被后⼈称为“爱因斯坦升降机思想实验”。
等效原理是爱因斯坦对“引⼒质量与惯性质量相等”的⼀个推⼴，即惯性场与引⼒场等效，也就是说引⼒与惯性⼒等效。等效原理分为弱等效原理和强等效原理。它们之间的严格说法分别是：
弱等效原理：引⼒场和惯性场的⼒学效应是局域不可区分的。
强等效原理：引⼒场和惯性场的⼀切物理效应都是局域不可区分的。
(所谓的局域就是指四维时空中⼀点的⽆穷⼩领域。)
强等效原理涵盖了弱等效原理，可以看作是弱等效原理的⼀个推⼴。等效原理告诉我们，在⽆穷⼩的时空范围内，⼈们⽆法区分引⼒场和惯性场。
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