爱因斯坦对物理学的贡献.docVIP

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E=h(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,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。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, 1889, 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) l=l01-v2/c2 (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,是刚尺静止时的长度, 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=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系 x=x-vt1-v2c2 ， y=y ，z=z ，t=t-(vc2)x1-v2c2 (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=m01-v2c2 (5)和质能关系式 (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。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