科学技术史论文

1、西南财经大学Southwestern University of Finance and Econo科学技术史论文I m I = I2011/05/11目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 一、相对论提出的准备阶段3 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 1相对论提出的背景3 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2爱因斯坦勤奋的研究3 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 二、

2、相对论的发现4 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 1以太学说4 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2狭义相对论的前提53狭义相对论的诞生6 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 相对论的危机6 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 爱因斯坦的解释6 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 狭义相对论的发表74广义相对论的问世8 HYPERLINK l bookm

3、ark55 o Current Document 对相对论的再思考8 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 爱因斯坦不寻常的探索8 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 相对论诞生的伟大意义9 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 三、爱因斯坦给我们的教导9 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 1不屈权贵，充满自信10 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 2善于思

4、考10 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 3戒骄戒躁10四、参考文献11爱因斯坦相对论的创作历程以及启示【摘要】：爱因斯坦在他一生中取得了巨大的成功，这使他成为了自然科学史上最伟大的学者之一 1905年，26岁的他以专利局职员的身份发表了几篇关于光电效应、布朗运动和狭义相对论 的论文，它们都是这些领域的奠基之作。他的狭义相对论和广义相对论，推动了物理学理论 的革命进程，质能关系也成为两弹和原子能利用的基本公式。而在这么巨大的成就背后，却隐藏着许多不为人知的秘密。任何事物其实都不是表面上 所表现出的那样，相对论也是如此。它的创立不知道经过了爱因斯

5、坦多少个日日夜夜的苦思 冥想，不知道受到了多少舆论的抨击。本论文主要讲述了相对论产生的背景、爱因斯坦困难重重的探索相对论的过程以及相对 论的巨大影响。与此同时，论文也提到了爱因斯坦发现相对论对我们的启示等方面的内容。【关键词】：相对论；光速；时间；空间；质量；能量；参考系【引言】：众所周知，相对论是由科学家阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein)创立的，其中狭 义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年。如今，距离相对论的创立已经有106 年了，但是我们不得不承认相对论的巨大成就仍让我们至今受益。相对论(Relativity)的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择

6、无关。狭 义相对论和广义相对论的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间 的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系)，并广泛应用于引力场中。 相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高 速运动的物体和微观领域，而相对论解决了高速运动问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然 的“常识性”观念，提出了 “时间和空间的相对性、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概 念。相对论的复杂程度是前所未有的，也正是由于它的确太复杂了，有人曾放言说世界上真 正懂得爱因斯坦相对论的只有一个半人，其深奥的理论可见一斑。于是，许多人很好奇为什么他可以取得这

7、么巨大的成就，对于这个问题，我想我也只能 用一句话来回答：因为那个人是阿尔伯特爱因斯坦！因此，那就让我们一同回到过去，去探索爱因斯坦发现相对论的不寻常的经历。一、相对论提出的准备阶段1相对论提出的背景十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言了以光速C传播的电磁波的存在。 到十九世纪末，实验完全证实了麦克斯韦理论。而当时科学界流行的一个看法是整个宇宙空间充满一种特殊物质叫做“以太”(以太： 由希腊学者提出，认为是光传播的介质)，电磁波是凭借以太振动而传播的。但人们发现， 这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是在一个静止的以太中运动，那么根据速度叠加原 理，在地球上沿不同方向传播的光的速度必

8、定不一样，但是实验否定了这个结论。如果认为 以太被地球带着走，又明显与天文学上的一些观测结果不符。在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，仍没有发现地 球有相对于以太的任何运动。对此，洛仑兹(H. A. Lorentz)提出了一个假设，认为一切在 以太中运动的物体都要沿运动方向收缩。由此他证明了，即使地球相对以太有运动，迈克尔 逊也不可能发现它。2爱因斯坦勤奋的研究1879年出生的爱因斯坦十六岁时报考瑞士苏黎世的联邦工业大学工程系，可是入学考 试却告以失败。看过他的数学和物理考卷的该校物理学家韦伯先生却慧眼识英才，称赞他： “你是个很聪明的孩子，爱因斯坦，一个非常聪明

9、的孩子，但是你有一个很大的缺点：就是 你不想表现自己。”韦伯先生讲对了，爱因斯坦在数学方面可以说是“天才”，他在12岁到16岁时就已经 自学学会了解析几何和微积分。而对于不想表现自己这个“缺点”，他也是“死不悔改”。 他晚年写给朋友的信中说：“我年轻时对生活的需要和期望是能在一个角落安静地做我的研 究，公众人士不会对我完全注意，可是现在却不能了。”爱因斯坦在学习的过程中，一直记住这样一个公式，并把它作为成功的根基。那就是 A=X+Y+Z! A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！爱因斯坦曾对其评 价道：这公式对我有用，我想对许多人也一样有用。就这样，低调的爱因斯坦一直在默默的学

10、习着，1900-1901年两年间，爱因斯坦先后完 成了4篇较为著名的论文。在完成了电势差的热力学理论的论文之后，爱因斯坦开始了对以太的深入研究。因为早 在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他当时就立即产生 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？ 一种可能是 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。这种事会发生吗？爱 因斯坦对以太的研究很快陷入了一个瓶颈阶段。当时科学界流行的看法是整个宇宙空间充满 一种特殊物质叫做“以太”，电磁波等就是凭借着以太的振动而传播的。尽管有许多学者不 断的提出关于以太的疑问，怀疑以太存在

11、的真实性，但是他们没有一个能够提供强有力的证 据来推翻以太理论。二、相对论的发现1以太学说爱因斯坦查阅了所有关于以太的学说有关的资料，他了解到前人对此研究大体上有三个 阶段：17世纪的笛卡尔和其后的惠更斯首创并发展了以太学说，认为以太就是光波传播的媒 介，它充满了包括真空在内的全部空间，并能渗透到物质中。与以太说不同，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。19世纪，波动说占了绝对优势。那时以太的学说十分流行：波的传播需要媒质，光在真空中传播的媒质就是以太，也叫 光以太。并且电磁学也得到了蓬勃发展，经

12、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一一电动力学，他们并从理论与实践上证明光就是一定频率范围内的电 磁波，从而统一了光的波动理论与电磁理论。以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架，但人们在解释运动物体的电磁过程时却发 现，与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。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。例 如，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。根据伽利略理论，向你驶来的车将发出速度大于C （真空光速3.

13、0 x108m/s）的光， 即前车的光的速度=光速+车速；而驶离车的光速小于C，即后车光的速度=光速-车速。但按 照，这两种光的速度相同，因为在麦克斯韦的理论中，车的速度有无并不影响光的传播，说 白了不管车子怎样，光速等于C。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。因此爱因斯坦进行了深入细致的研究，他认真钻研了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。他认为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。他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的 试验都是失败的。经过研究，爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以 太在洛伦兹

14、理论中已经没有实际意义。他此时陷入了一种纠结的状态，到底要不要推翻所谓 的真理？脑海中的声音告诉他：不能妥协，敢于怀疑敢于创新！所谓的真理是可以推翻的！ 于是他果断的提出疑问：以太绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？从那时起， 他就一直怀疑以太存在的必要。2狭义相对论的前提爱因斯坦的奋斗并不是孤独的。其实，在爱因斯坦潜心研究以太的过程中，马赫和休谟 的哲学对爱因斯坦影响起到了很大的影响。如果没有他们，爱因斯坦很可能会失败。当时， 马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论 依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序

15、分布的 可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的，他相信世界 的统一性和逻辑的一致性。19世纪理论物理学的发展达到了巅峰状态，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。德国著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。”人们对当时物理学的完美发展的坚信

16、 可见一斑。那个时候，相对性原理已经在力学中被广泛证明，但它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，相对性原理应该 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，以及它与相对性原理是否矛盾的关系，成为相对性原理是否 普遍成立的首要问题。但是年轻的爱因斯坦脑子里充满了创新的想法，他坚信一句格言：“任何事都是相对的。” 他不相信没有证据的理论，他相信只要有证据，就可以推翻所谓的真理！只要细致研究，肯 定会发现物理学的新大陆！1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已

17、探索了十年的问题，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。突然间，爱因斯坦仿佛领悟到了什 么，他把这个想法记录了下来，然后回到家里，茶饭不思反复思考，终于他想明白了问题。 于是第二天，他又来到贝索家，高兴地对朋友说：“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。爱 因斯坦在这次深入的思考之后，心中已经有了答案，那就是光速在任何参考系中速度是不变 的。与此同时，他也领悟了相对性的原理与光速不变原理的关系。爱因斯坦认为，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

18、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。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。爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题，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。3狭义相对论的诞生相对论的危机在爱因斯坦相对论的诞生过程中，物理界的一个简单的例子引起了两个著名的原理的冲 突，从而导致了物理界的困惑：有甲乙两人，甲站在火车站的月台上，

19、设想月台上方的额空气已经抽空（此假设主要是 保证光是在真空中传播，因而处在这个空间的各个坐标系里，光的传播速度都是恒定的）， 如果沿轨道方向发出一道光线，根据光速不变原理，甲看到光线以恒速c沿着铁轨传播；乙 在一列一速度v在铁轨上匀速行驶的火车中，设火车的前进方向与光线前进方向一致。根据 相对性原理，乙看到的光线的传播速度是：w=c-v,虽然vc,但总是wc，显然这里出现了 问题，甲乙两人观察到光的传播速度分别是c和c-v，这个结果意味着“光速不变原理”不 成立。到底是相对性原理不正确还是光速不变原理不正确？这是摆在物理学家们面前的一个 不能回避的问题，不少人主张是放弃相对性原理，但另一部分人

20、反对，因为相对原理是那样 的简单明了，并且在长期的实践中精确与事实相符。到底是什么地方出现了问题呢？爱因斯 坦利用他一开始所思考的东西解释后，很自信的说：“相对论就是在这个关头产生的”。爱因斯坦的解释其实不妨换一个例子来思考，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

21、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，从而构建起了爱因斯坦狭义相对论的理论框架。在相对论中的光速不变原理中，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），相对论的效应只能是在抽象的想象之中 进行。但是在仔细的核对和反复的

22、思考之后，爱因斯坦确信自己的推理是准确无误的，他决 定把自己的研究成功公布于世。狭义相对论的发表顺利的，在1905年6月30日，德国物理学年鉴欣然接受了爱因斯坦辛辛苦苦完成 的“史诗”级别的论文论动体的电动力学，并在该刊上发表。这篇论文它包含了狭义相 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。与此同时，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。他终于找到了一个理论，可以使光速不变理论和相对性理论不发生冲突，并且 也就是这样，狭义相

23、对论诞生了。回顾相对论的探索历程，我们不得不承认爱因斯坦是一个极具耐心和创新力的天才，他 做到了其他人所不能做到的：伽利略努力过，牛顿努力过，爱因斯坦也努力过，但是成功只 属于那个一直在准备着的人，爱因斯坦一直在为相对论的诞生而默默准备着，所以最后的成 功者是他。让我们对这三个伟人做一个这方面的回顾，伟人贝献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

24、物体联系在一起的4广义相对论的问世对相对论的再思考正当全世界为狭义相对论的诞生而震动、惊讶、争论时，爱因斯坦已经对自己的理论感 到不满了，因为他仿佛看到了自己理论的缺陷。首先，作为“相对论”基础的惯性系现在已经无法定义了。牛顿定义的惯性系是指相对 于“绝对时空”静止或做匀速直线运动的参考系，可是相对论否认绝对空间的存在，那么这 一定义就不适用了。相对论是研究惯性系间关系的理论，“惯性系”是其核心概念，但是这 个“核心”却无法定义。其次，万有引力定律写不成相对论的形式。几经努力他终于认识到，相对论容纳不了万 有引力定律。当时一直的自然力只有万有引力和电磁力两种，有一种就放不进相对论的框架。爱因斯

25、坦于是再一次踏上了探索之路。爱因斯坦不寻常的探索在牛顿力学中，物质既有惯性质量，也有引力质量。惯性质量由牛顿第二定律给出，引 力质量由万有引力定律定义。实验证明，引力质量和惯性质量是精确相等的。这是偶然还是 另有意义？爱因斯坦注意到了这个事实。他反复思索狭义相对论遭遇到的基本困难：惯性系 无法定义；万有引力定律不能纳入。既然惯性系无法定义，那就抛开惯性系，将自己的理论 建立在任意参考系基础上，把原来的相对论原理从“科学规律相对于一切惯性系形式不变” 推广为“科学规律在一切参考系中都相同”。爱因斯坦称后者为“广义相对论原理”。可是问 题又出现了。非惯性体系中有惯性力存在，如何处理惯性力呢？既然引

26、力质量和惯性质量完 全相等，这是否意味着引力和惯性力本质上是一致的呢？于是爱因斯坦进一步提出等效原理， 即惯性场和引力场等价。爱因斯坦曾在一次演讲中讲述等效原理的由来。他说：“当我坐在伯尼尔专利局办公室 的椅子上时，蓦然闪现出一个思想来，如果一个人自由的降落，他就不会察觉到自己的重量。 我不由大吃一惊，这个简单的思想给了我深刻的印象，它推动我走向引力场理论。”爱因斯 坦也称这个是他一生中最得意的思想。广义相对论原理和等效原理是广义相对论的两个基本前提，但是尽管爱因斯坦熟知这两 个理论，但是广义相对论的建立较狭义相对论要漫长得多，为此爱因斯坦几乎是单枪匹马付 出了接近8年的艰辛的劳作。因为其中经

27、历了各种各样的挫折。其中比较经典的是1913年 在好友格罗斯曼的帮助下，运用黎曼几何建立了初步的广义相对论方程，但其中引入了一个 错误的假设。当时他们都没有发现。导致相对论的理论出现了错误。而后爱因斯坦苦苦探索 错误的由来，终于，在1915年，爱因斯坦发现了并且修正了这个致命的错误，并且经过了 细致修改后在11月向普鲁士科学院提交了三篇论文，标志着广义相对论的完成。相对论诞生的伟大意义广义相对论是一个时空和引力的理论。狭义相对论认为时间、空间是一个整体（四维时 空），能量、动量是一个整体（四维动量），但没有指出时空与能量、动量之间的关系。广义 相对论则进一步阐明能量动量的存在（也就是有物质存在

28、），会是四维时空发生弯曲，万有 引力不是力，是时空弯曲的经典效应。物质在万有引力的运动，如地球上的自由落体、行星 的绕行等，都是弯曲时空中的自由运动惯性运动，它在时空中描出的曲线是弯曲时空两 点间的最短线。广义相对论的基本方程，爱因斯坦方程，描绘了时间-空间与能量-动量如何相互规定： 时空曲率=能量动量。这是一组10个方程，非常难以求解，爱因斯坦球出了一些近似的解， 并提出了轨道进动、引力红移、光线偏折三项可检验的预见。精湛的物理思想，高深的黎曼几何、张量分析，神奇的实验验证，使得广义相对论一下 子就被科学界接受了。不但是在科学界，甚至在普通人眼里，爱因斯坦成了一个神话般的人 物。的确，爱因斯

29、坦创立广义相对论远远超越于那个时代的所有科学家，爱因斯坦曾经自豪 的说：如果我不发现狭义相对论，5年之内肯定会有人发现它，如果我不发现广义相对论， 50年内也不会有人发现它。三、爱因斯坦给我们的教导爱因斯坦创作相对论历时数十年，其间遇到的挫折不是常人可以想象的。从出现想法到 按照自己的思路潜心钻研，从出现了理论雏形到发布初步定稿，爱因斯坦一直遭受到科学界 的质疑和嘲笑。甚至有人骂爱因斯坦是个疯子，但是爱因斯坦却不以为然，他坚信自己的想 法，只有他自己最了解相对论，因为他知道相对论的背后有强大的理论做支持。在相对论完成之后，科学界那些自命不凡的“天才”们才开始认识到爱因斯坦的伟大， 人们也才开始

30、认识到相对论诞生的不易。人们从相对论学到了爱因斯坦的教导。1不屈权贵，充满自信无论自己的理论正确与否，自信都是最重要的。在科学界舆论的压力下，在所谓“真理” 的反对下，爱因斯坦都撑过去了，因为在他心中，他坚信自己构建的理论根基是没有问题的， 而从理论推出的相对论的模型也是没有问题的，所以无论外界的学者如何攻击他，他都抱着 一颗无所谓的态度:走自己的路，让别人说去吧。但这种自信绝对不是自负，爱因斯坦的自信建立在很牢固的理论基础上，是一种十分有把握 的自信。至少他可以说服自己去相信它。有了这种自信，他勇敢地与权威们做着不懈的斗争。他在以这种方式告诉人们如果想要取得成功，没有自信一切都是海市蜃楼。如