相对论的建立和发展

§7.1

历史背景第七章相对论的建立和发展§7.2

爱因斯坦创建狭义相对论的经过§7.3

狭义相对论的遭遇和实验检验§7.4

广义相对论的建立§7.5

广义相对论的实验检验相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。”

——德布罗意§7.1

历史背景相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触。1.牛顿力学时空观绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝。——牛顿绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的。——牛顿2、迈克尔逊——莫雷实验由于人们把“以太”选作绝对静止的参照系，因此在19世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。1881年，美国人迈尔耳逊设计了一个实验，但是却得到“0”结果。1887年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果仍然是“零结果”。根据这一结果，“以太”显然是一厢情愿的设想，尽管不断改进，但结论却相同。“以太”的概念最早出现在笛卡尔于1644年发表的《哲学原理》一书中。按笛卡尔的观点，“虚空”是不可能存在的，整个宇宙充满着一种易动的物质，这种物质就是“以太”。

17世纪，惠更斯也用了“以太”的说法。麦克斯韦也援用“以太”的概念。他把“以太”看成电磁场的物质基础,认为电磁现象是“以太”运动的表现。3、真空中的光速根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”应为一常数，与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。

4、物理学家面临的选择要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补补，要么彻底抛弃，建立新的理论。法国著名科学家彭加勒（HenriPoincarè）对洛仑兹理论起过积极作用。他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。他提出了相对性原理的概念，认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式。1904年彭加勒正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”彭加勒还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。§7.2

爱因斯坦创建狭义相对论的经过爱因斯坦是德国人，有犹太血统，1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学，1901年入瑞士国籍，大学毕业两年后才在伯尔尼瑞士专利局找到技术员的工作。就在专利局工作期间，1905年头几个月一连发表了四篇重要论文，分别在辐射理论、分子运动论和力学与电动力学的基础理论等三个不同的领域提出了新的见解。其中《论动体的电动力学》一文更具有划时代的意义，文中第一次提出了崭新的时间空间理论，一举解决了光速的不变性与速度合成法则之间的矛盾以及电磁理论中的不对称等难题。爱因斯坦把这个理论称为相对性理论，简称相对论，后来又叫狭义相对论。一、走在爱因斯坦前面的人人名贡献影响麦克斯韦创建电磁理论赫兹修改麦克斯韦方程佛格特1887年提出佛格特变换，与洛伦兹变换相似洛伦兹知道佛格特的工作，但没有足够注意。拉摩拉摩进动和拉摩变换费兹杰惹独立地提出洛伦兹变换洛伦兹提出电子论和洛伦兹变换爱因斯坦读过洛伦兹1895年的著作彭家勒提出相对性原理1879年年3月月14日生生于德德国乌乌尔姆姆一个个犹太太人家家庭。。父父亲是是小商商人，，母亲亲是钢钢琴家家。上上学后后，成成绩平平平，，但爱爱动脑脑筋，，12岁曾曾证明明勾股股定理理。1896年年，爱爱因斯斯坦正正式成成为一一个无无国籍籍的人人，并并考进进了联联邦工工业大大学。。大学学期间间，爱爱因斯斯坦迷迷上了了物理理学，，一方方面，，他阅阅读了了德国国著名名物理理学家家基尔尔霍夫夫、赫赫兹等等人的的著作作，钻钻研了了麦克克斯韦韦的电电磁理理论和和马赫赫的力力学，，并经经常去去理论论物理理学教教授的的家中中请教教。另另一方方面，，他的的大部部分时时间是是去物物理实实验室室去做做实验验，迷迷恋于于直接接观察察和测测量。。二、爱爱因斯斯坦简简介爱因斯斯坦在在苏黎黎世联联邦工工业大大学的的实验验室里里做过过许多多实验验，这这是他他用过过的仪仪器爱因斯坦坦少年时时期就对对哲学有有兴趣。。康德的的《纯粹粹理性批批判》，，马赫的的《力学学史评》》都给了了他深刻刻的影响响。1902年年前后，，爱因斯斯坦和几几个年轻轻朋友组组成“奥奥林比亚亚科学院院”每晚晚聚在一一起，研研读斯宾宾诺莎、、休谟、、彭加勒勒等人的的科学和和哲学著著作。斯斯宾诺莎莎关于自自然界统统一的思思想，休休谟的时时空观，，马赫对对牛顿绝绝对时空空观的批批判都引引起爱因因斯坦极极大的兴兴趣。1900年苏苏黎世联联邦工业业大学师师范系毕毕业。1902年在在瑞瑞士联邦邦专利局局工作1909年离离开专利利局任苏苏黎世大大学理论论物理学学副教授授。1911年任任布拉格格德语大大学理论论物理学学教授，，1912年任任母校苏苏黎世联联邦工业业大学教教授。1914年，应应能斯脱脱的邀请请，回德德国任威威廉皇帝帝物理研研究所所所长兼柏柏林大学学教授，，直到1933年。1920年应应洛伦兹兹和埃伦伦菲斯特特（即P.厄任任费斯脱脱）的邀邀请，兼兼任荷兰兰莱顿大大学特邀邀教授。。回德国国不到四四个月，，第一次次世界大大战爆发发，他投投入公开开的和地地下的反反战活动动。他经经过8年年艰苦的的探索,于1915年年最后建建成了广广义相对对论。1921年获获诺诺贝尔物物理奖。。1933年受受德德国纳粹粹迫害，，移居美美国，为为普林斯斯顿研究究所研究究员。1940年加入入美国国国籍。1955年4月月18日日去世。。三、狭义义相对论论的建立立1900年，爱爱因斯坦坦大学毕毕业。1901年，他他获得了了瑞士国国籍。1902年，在在他的朋朋友格罗罗斯曼的的帮助下下，爱因因斯坦终终于在伯伯尔尼的的瑞士联联邦专利利局找到到了一份份稳定的的工作———当技技术员。。在伯尔尼尼专利局局的日子子里，爱爱因斯坦坦广泛关关注物理理学界的的前沿动动态，在在许多问问题上深深入思考考，并形形成了自自己独特特的见解解。在十十年的探探索过程程中，爱爱因斯坦坦认真研研究了麦麦克斯韦韦电磁理理论，特特别是经经过赫兹兹和洛伦伦兹发展展和阐述述的电动动力学。。爱因斯斯坦坚信信电磁理理论是完完全正确确的，但但是有一一个问题题使他不不安，这这就是绝绝对参照照系中以以太的存存在。他阅读了了许多著著作发现现，所有有人试图图证明以以太存在在的试验验都是失失败的。。经过研研究，爱爱因斯坦坦发现，，除了作作为绝对对参照系系和电磁磁场的荷荷载物外外，以太太在洛伦伦兹理论论中已经经没有实实际意义义。于是是他想到到：绝对对参照系系是必要要的吗？？电磁场场一定要要有荷载载物吗？？当时的物物理学家家一般都都相信以以太，也也就是相相信存在在着绝对对参照系系，这是是受到牛牛顿的绝绝对空间间概念的的影响。。19世世纪末，，马赫在在所著的的《发展展中的力力学》中中，批判判了牛顿顿的绝对对时空观观，这给给爱因斯斯坦留下下了深刻刻的印象象。1905年5月月的一天天，爱因因斯坦与与一个朋朋友贝索索讨论这这个已探探索了十十年的问问题，贝贝索按照照马赫主主义的观观点阐述述了自己己的看法法，两人人讨论了了很久。。突然，，爱因斯斯坦领悟悟到了什什么，回回到家经经过反复复思考，，终于想想明白了了问题。。第二天天，他又又来到贝贝索家，，说：谢谢谢你，，我的问问题解决决了。原原来爱因因斯坦想想清楚了了一件事事：时间间没有绝绝对的定定义，时时间与光光信号的的速度有有一种不不可分割割的联系系。他找找到了开开锁的钥钥匙，经经过五个个星期的的努力工工作，爱爱因斯坦坦把狭义义相对论论呈现在在人们面面前。1905年年他发表表了有关关狭义相相对论的的三篇文文章。早在16岁（1895年）时时，爱因因斯坦就就开始思思考这样样一个问问题：““如果我我以速度度c（真真空中的的光速））追随光光线运动动，我应应当看到到这样一一条光线线就好象象一个在在空中振振荡着而而停滞不不前的电电磁场。。可是无无论是依依据经验验，还是是按照麦麦克斯韦韦方程，，看来都都不会有有这样的的事情。。”这是是一个悖悖论，实实际上包包含了狭狭义相对对论的萌萌芽。爱因斯坦坦对这个个问题的的思考，，经历了了很长的的过程。。他回忆忆说：““最初当当我有这这个想法法时，我我并不怀怀疑以太太的存在在，不怀怀疑地球球相对以以太的运运动”。。甚至他他还设想想用热电电偶做一一个实验验，比较较沿不同同方向的的两束光光线所放放出的热热量。不久爱因因斯坦得得知迈克克耳孙-莫雷实实验的零零结果。。他由此此认识到到，地球球相对于于以太的的运动是是不能用用任何仪仪器测量量的。他他继续回回忆说：：“如果果承认迈迈克耳孙孙的零结结果是事事实，那那么地球球相对于于以太运运动的想想法就是是错的，，这是引引导我走走向狭义义相对论论的第一一步。””爱因斯坦坦读到了了洛仑兹兹1895年的的论文，，他很欣欣赏洛仑仑兹方程程不但适适用于真真空中的的参照系系，而且且适用于于运动物物体的参参照系。。他试图图用洛仑仑兹方程程讨论斐斐索的流流水中光光速实验验。当时时他坚信信麦克斯斯韦和洛洛仑兹电电动力学学方程是是正确的的，但是是进一步步推算，，发现要要保持这这些方程程对动体体参照系系同样有有效，必必然导致致光速不不变性的的概念，，而光速速的不变变性明显显地与力力学的速速度合成成法则相相抵触。。为什么这这两个概概念会相相互矛盾盾呢？爱爱因斯坦坦苦思不不得其解解。起初初他想修修改洛仑仑兹的观观念，以以解决这这个矛盾盾，结果果白白花花了一年年时间，，没有取取得进展展。经过十年年的思考考，终于于在1905年年的一天天，他突突然找到到了解决决问题的的关键。。他在那那次讲演演中这样样形容当当时的情情景：“为什么么这两个个观念相相互矛盾盾呢？我我感到这这一难题题相当不不好解决决。我花花了整整整一年的的时间，，试图修修改洛仑仑兹的思思想，来来解决这这个问题题，但是是却徒劳劳无功。。“是我在在伯尔尼尼的朋友友贝索偶偶然间帮帮我摆脱脱了困境境。那是是一个晴晴朗的日日子，我我带着这这个问题题访问了了他，我我们讨论论了这个个问题的的每一个个细节。。忽然我我领悟到到这个问问题的症症结所在在。这个个问题的的答案来来自对时时间概念念的分析析，不可可能绝对对地确定定时间，，在时间间和信号号速度之之间有着着不可分分割的联联系。利利用这一一新概念念，我第第一次彻彻底地解解决了这这个难题题。”爱因斯坦坦和洛伦伦兹在一一起不出五个个星期，，（1905年年6月）），爱因因斯坦就就写好了了那篇历历史性文文献《论论动体的的电动力力学》，，1905年9月发表表在著名名的德文文杂志《《物理学学年鉴》》上。在在这篇论论文中，，爱因斯斯坦十分分果断地地把相对对性原理理和光速速不变原原理这两两条看起起来似乎乎矛盾的的设想放放在一起起作为基基本出发发点。他他称之为为两条公公设，内内容如下下：“1.物物理体系系的状态态据以变变化的定定律，同同描述这这些状态态变化时时所参照照的坐标标系究竟竟是两个个在互相相匀速移移动着的的坐标系系中的那那一个并并无关系系，（相相对性原原理）。。”“2.任任何光线线在静止止的坐标标系中都都是以确确定的速速度v运运动着，，不管这这道光线线是由静静止的还还是运动动的物体体发射出出来的，，（光速速不变原原理）。。”爱因斯坦坦不是象象洛仑兹兹那样，，事先假假设某种种时空变变换关系系，而是是以这两两个公设设为出发发点，推推导出时时空变换换关系。。他非常常简洁地地建立了了一系列列新的时时空变换换公式之之后，立立即推导导出了运运动物体体的“长长度收缩缩”、运运动时间间的“时时钟变慢慢”、同同时性的的相对性性以及新新的速度度合成法法则等等等，由此此形成一一套崭新新的时空空观。另外一个个佯谬就就是：快快速运动动参考系系中的钟钟，与静静止参考考系中的的钟相比比，它走走慢了。。----这就就是所谓谓的时间间膨胀，，也叫时时间延迟迟。在1911年年4月波隆哲哲学大会上，，法国物理学学家P．朗之之万用双生子子实验对狭义义相对论的时时间膨胀效应应提出了质疑疑，设想的实实验是这样的的：一对双胞胞胎，一个留留在地球上，，另一个乘坐坐火箭到太空空旅行。飞行行速度接近光光速，在太空空旅行的双胞胞胎回到地球球时只不过两两岁，而他的的兄弟早已死死去了，因为为地球上已经经过了200年了。这就就是著名的双双生子详谬。。双生子佯谬谬说明狭义相相对论在逻辑辑自恰性上还还存在不完善善的地方。爱因斯坦在《《论动体的电电动力学》一一文的最后，，推导出了电电子质量随速速度变化的关关系和电子的的动能公式，，并由电子速速度等于光速速c时动能变变为无穷大的的结果预言电电子速度不可可能大于光速速。1905年晚晚些时候，爱爱因斯坦又发发表了一篇论论文，题为《《物体的惯性性同它所含的的能量有关吗吗？》，第一一次提出了相相对论的质能能转化关系。。“物体质量量是它所包含含的能量的量量度。”“如如果能量改变变L，则质量量也要同时改改变L/（9×1020）（即L/c2，这里用的是是CGS单位位）。”《论动体的电电动力学》发发表在《物理理学年鉴》上上爱因斯坦的狭狭义相对论基基本内容1.两个基本本假设1905年9月,爱因斯斯坦26岁,在德国的《《物理学杂志志》发表了三三篇文章，在在文章中提出出了两个基本本假设：狭义相对论的的相对性原理理光速不变原理理将革命性的时时空观引入物物理学，虽然然它只具有最最少的两个基基本假设，但但它与各种实实验都符合。。从这两个假设设，他得出了了洛伦兹变换换：表明了时间与与空间与运动动的不可分割割的联系，使使牛顿力学得得到推广，将将时空观普遍遍化。2.由狭义相相对论引出的的观念的变化化同时性的相对对性——长度度收缩与运动动有关——时时间膨胀效应应——速度变变换公式———质速关系———质能关系系——能量动动量关系3.狭义相对对论是基础牢牢固，逻辑结结构严紧，形形式完美的物物理理论，成成为近代物理理的支柱。四、爱因斯坦坦的研究特色色:1.对经典理理论的大胆怀怀疑经过十年的思思索,首先看看破以太,并并最终抛弃了了以太,也就就是抛弃了绝绝对运动。马马赫的真正正伟大，就在在于他的坚不不可摧的怀疑疑态度和独立立性。——爱因斯坦坦相对论以最勇勇敢的物理论论而名扬于世世。2.博闻苦思思，好学进取取16岁时,爱爱因斯坦就思思考:“如果我以速速度c追随一一条光线运动动”，我应当当看到什么现现象呢？爱因斯坦得知知迈克尔逊零零结果，想:“若零结果果是事实，那那地球相对以以太运动的想想法就是错误误的!”爱因斯坦读了了洛仑兹1895年的论论文，认为其其方程若成立立，必然导致致光速不变的的概念。电磁感应的现现象迫使我假假设(狭义)相对性的原原理，必须克克服的困难在在于真空中光光速的不变性性.———爱因斯坦坦爱因斯坦认为为:“若光速速不变成立，，则将出现同同时性的相对对性。”就这样，爱因因斯坦建立了了新的时空观观，他认为时时间与运动有有关，而不是是割离的，建建立了四维空空间。3.追求科学学理论的和谐谐与自然认为科学理论论应当完备，，即不存在矛矛盾和不一致致的地方，比比如牛顿运动动定律与事实实有矛盾，就就应该改革它它。认为科学学理论应当逻逻辑简单，概概念和假设应应当尽量地少少，理论应当当简洁。认为为科学应当对对称和谐。爱因斯坦在总总结回忆时说说：“它象在在爬山一样，，越是往上爬爬，越是得到到宽广的视野野，并且越能能显示出我们们的出发点与与其周围广大大地域之间的的出乎意外联联系。”狭义相对论被被承认的曲折折经历1.普遍读不不懂，不理解解

在法法国，1910年几乎没没有人提到爱爱因斯坦。J·J·汤姆姆逊1909年：“以太太对我们来说说，就象我们们呼吸空气一一样不可缺少少。”马马吉1911年：“我我相信，现在在没有一个活活着的人会断断言，时间会会是速度的函函数。”迈克尔逊至死死（1931年）还念念念不忘“可爱爱的以太”，，认为相对论论是个怪物。。§7.3狭狭义相对论论的遭遇和实实验检验2.普朗克支支持：“如果果相对论是正正确的，爱因因斯坦就是20世纪的哥哥白尼。”并并发表了爱因因斯坦的文章章。所以人们们常说，普朗朗克有两大发发现!3.实验验证证

1906年，考夫夫曼得出了否否定相对论的的结果，相对对论受到考验验！但1907年，爱因因斯坦发表文文章，坚信相相对论是正确确的。1911年，，索尔威会议议召开，由于于爱因斯坦在在固体比热的的研究上有一一定影响，人人们才注意爱爱因斯坦的的相对论方面面的工作。到到了1919年，爱因斯斯坦的广义相相对论得到了了日全食观测测的证实，他他成为公众瞩瞩目的人物。。狭义相对论论才开始受到到应有的重视视。1921年年爱因因斯坦坦获得得诺贝贝尔物物理学学奖。。不过过不是是由于于他建建立了了相对对论，，而是是“为为了他他的理理论物物理学学研究究，特特别是是光电电效应应定律律的发发现””。诺诺贝尔尔物理理学奖奖委员员会主主席奥奥利维维拉为为此专专门写写信给给他，，指明明他获获奖的的原因因不是是基于于相对对论，，并在在授奖奖典礼礼上解解释说说：因因为有有些结结论目目前还还正在在经受受严格格的验验证。。支持相相对论论的物物理学学家：：普朗克克，当时作作为《《物理理学年年鉴》》的主主编，，认识识到爱爱因斯斯坦论论文的的价值值，及及时给给予发发表。。后人人评价价他有有两大大发现现：一一是量量子论论，二二是爱爱因斯斯坦。。普朗克克的学学生劳厄，在1911年年就致致力于于宣传传相对对论。。闵可夫夫斯基基立陶宛宛出生生的德德国数数学家家是除除爱因因斯坦坦以外外，最最早注注意到到时空空观变变革的的学者者，他他是爱爱因斯斯坦大大学时时的老老师，，因后后者不不重视视正规规课程程的学学习而而不太太喜欢欢这个个学生生，但但他却却十分分赞赏赏学生生提出出的相相对论论。他他以自自己精精通的的几何何学知知识对对相对对论进进行了了四维维格式式化，，重新新处理理了相相对论论的基基本方方程，，把洛洛仑兹兹变换换看作作是坐坐标系系在四四维空空间中中的转转动，，给相相对论论以更更加简简洁的的表述述。泡利，，在1921年受受他老老师的的推荐荐为《《数学学科学学百科科全书书》撰撰写了了一篇篇关于于相对对论的的长篇篇综述述文章章，得得到了了爱因因斯坦坦的高高度评评价，，至今今还是是相对对论方方面的的名著著之一一。布雪勒勒，在1908年用用改进进的方方法测测量电电子的的质量量，得得到的的结果果与相相对论论的理理论基基本相相符。。狭义相相对论论有一一重要要结果果，就就是预预言电电子质质量会会随运运动速速度增增长。。从经经典电电磁理理论出出发也也可以以得到到类似似的结结论，，因为为运动动电荷荷会产产生磁磁场，，电磁磁场的的能量量增大大，相相当于于质量量也增增大。。经典典电磁磁理论论家阿阿伯拉拉罕（（M.Abraham）假假设电电子是是一个个有确确定半半径的的钢性性带电电小球球，它它在运运动中中产生生的磁磁场引引起电电磁质质量，，由此此推出出了电电子的的质量量公式式。1901年年，实实验物物理学学家考考夫曼曼用ββ射线线的高高速电电子流流进行行实验验，证证实电电子的的质量量确实实是随随速度度变化化的。。洛仑仑兹到到1904年则则根据据收缩缩假说说也推推出了了电子子质量量公式式。后后来证证明洛洛仑兹兹公式式与狭狭义相相对论论的结结果一一致。。1906年，，考夫夫曼宣宣布，，他的的量度度结果果证实实了阿阿伯拉拉罕的的理论论公式式，而而“与与洛仑仑兹-爱因因斯坦坦的基基本假假定不不相容容”。。这件件事一一度竟竟成了了否定定相对对论的的重要要依据据。在在这一一事实实面前前，洛洛仑兹兹失望望了，，他表表示，，“不不幸我我的电电子变变形假假说与与考夫夫曼的的新结结果矛矛盾，，我只只好放放弃它它了。。”然而，，爱因因斯坦坦却持持另一一种态态度，，他在在1907年写写文章章表示示，相相信狭狭义相相对论论是经经得起起考验验的，，在他他看来来那些些理论论在很很大的的程度度上是是由于于偶然然碰巧巧与实实验结结果相相符。。果然然，一一年后后布雪雪勒（（A.H.Bucherer）用用改进进了的的方法法测电电子质质量，，得到到的结结果与与洛仑仑兹-爱因因斯坦坦公式式符合合甚好好。以以后许许多实实验都都证明明，狭狭义相相对论论的结结果是是正确确的。。可是是，观观念的的改变变不是是一朝朝一夕夕之事事。只只是到到了1919年年，爱爱因斯斯坦的的广义义相对对论得得到了了日全全食观观测的的证实实，他他成为为公众众注目目的人人物，，狭义义相对对论才才开始始受到到应有有的重重视。。激烈的的争论论没有有停息息过。。到20世世纪三三十年年代末末，从从激发发氢原原子的的实验验中，，无可可置疑疑地证证明了了时间间的相相对膨膨胀。。后来来，在在宇宙宙线的的研究究过程程中再再次明明确地地得到到了证证实。。这就就是说说人们们在实实际的的实验验中，，的确确发现现快速速运动动的参参考系系中的的时钟钟变慢慢了，，特别别是宇宇宙线线粒子子的速速度特特别大大，这这一效效应的的数值值也较较大。。1938年，查查恩和斯斯皮斯重重新分析析了布雪雪勒实验验，结论论更接近近相对论论的理论论。1940年，罗罗吉斯通通过实验验再次证证明爱因因斯坦理理论的正正确性。。爱因斯坦坦的狭义义相对论论谱写了了物理学学发展史史上的令令人振奋奋的新篇篇章，和和量子论论一起成成为物理理学革命命的标志志性成果果，其意意义正如如他自己己1948年在在《相对对性：相相对论的的本质》》中所指指出的那那样“：：狭义相对对论导致致了对空空间和时时间的物物理概念念的清楚楚理解，，并且由由此认识识到运动动着的量量杆和时时钟的行行为。它它在原则则上取消消了绝对对同时性性概念，，从而也也取消了了牛顿所所理解的的那个即即时超距距作用概概念。它它指出，，在处理理同光速速相比不不是小到到可忽略略的运动动时，运运动定律律必须加加以怎样样的修改改。它导导致了麦麦克斯韦韦电磁场场方程的的形式上上的澄清清；特别别是导致致了对电电场和磁磁场本质质上的同同一性的的理解。。它把动动量守恒恒和能量量守恒这这两条定定律统一一成一条条定律，，并且指指出了质质量同能能量的等等效性。。从形式式的观点点来看，，狭义相相对论的的成就可可以表征征如下：：它一般般指出了了普适常常数光速速）在自自然规律律中所起起的作用用，并且且表明以以时间作作为一方方，空间间坐标作作为另一一方，两两者进入入自然规规律的形形式之间间存在着着密切的的联系。。”狭义相对对论建立立以后，，爱因斯斯坦并没没有止步步。他认认为狭义义相对论论还有许许多问题题没有解解决。例例如：为为什么惯惯性坐标标系在物物理学中中比其他他坐标系系更为优优越？为为什么惯惯性质量量随能量量变化？？为什么么一切物物体在引引力场中中下落都都具有同同样的加加速度？？刚刚经经受住考考验的狭狭义相对对论，为为什么一一用到引引力场中中就遇到到了矛盾盾？爱因因斯坦感感到极大大的疑惑惑。他坚坚信自然然界的和和谐和统统一，认认为要么么对惯性性坐标系系为什么么会特别别优越作作出解释释，要么么放弃惯惯性坐标标系的特特殊优越越地位。。§7.4广广义相对对论的建建立1907年，他他脑海中中突然冒冒出一个个灵感：：“一个个在半空空中坠落落的人，，完全感感觉不到到自己的的重量，，应该觉觉得自己己好象置置身于惯惯性系中中。”根据这个个平淡无无奇的想想法，同同年他就就写出了了第一篇篇关于广广义相对对论的论论文，提提出广义义相对论论的两个个假设：：一、等效效原理：：加速度度造成的的“重量量感”与与真正的的重力效效应一模模一样。。二、广义义相对性性原理：：物理定定律在任任何参考考系中都都具有相相同形式式。一、引力力质量与与惯性质质量的等等价性几百年以以来，物物理学家家把惯性性质量与与引力质质量相等等当作一一个基本本事实，，但是是，爱因因斯坦确确认为““我为它它的存在在感到极极为惊奇奇，并猜猜想其中中必有一一把可以以更加深深入地了了解惯性性和引力力的钥匙匙”。他他在题为为《相对对论发展展简述》》的文章章中写道道：““在引力力场里，，一切物物体都以以同一加加速度下下落，或或者说这这不过是是同一事事实的另另一种讲讲法物体体的引力力质量同同惯性质质量在数数值上是是彼此相相等的。。这种数数值上的的相等，，暗示着着性质上上的相同同。引力力同惯性性能够是是同一的的吗？这这问题直直接导致致了广义义相对论论。”经过缜密密的思索索，爱因因斯坦用用场的观观念对基基于超距距作用观观念的牛牛顿引力力理论进进行了改改造，写写出如下下等式：：（惯性质质量）··（加速速度）=（引力力场强度度）·（引力质质量）爱因斯坦坦认为：：“只有有当惯性性质量和和引力质质量数值值上相等等时，加加速度才才与物体体的性质质无关。。”即惯惯性质量量和引力力质量的的相等性性，是同同加速度度和引力力场强度度的等价价性联系系在一起起的。在在提出等等效原理理的过程程中，爱爱因斯坦坦运用了了理想实实验的方方法，设设计了一一系列升升降机实实验，反反复思考考处于升升降机中中的观察察者通过过实验观观测会得得到什么么结论。。1907年爱因因斯坦在在建立广广义相对对论方面面迈出了了重要一一步，在在《关于于相对论论原理和和由此得得出的结结论》的的第五部部分“相相对性原原理和引引力”中中他叙述述道“：：我们考考察两个个参照系系和在它它的轴方方向加速速运动是是这个加加速度的的值（不不因时间间而变））。是静静止的；；但是它它处在一一个均匀匀的引力力场中，，这个引引力场赋赋予一切切物体在在轴方向向上这样样一个加加速度““就我们们所知，，无法把把参照于于的物理理定律同同参照于于的物理理定律区区别开来来；这是是由于一一切物体体在引力力场中都都被同样样地加速速。”据据此他把把等效原原理以假假设的形形式提出出：“引引力场同同参照系系的相当当的加速速度在物物理上完完全等价价。”同时“这这个假设设把相对对性原理理扩展到到参照系系作均匀匀加速平平移运动动的情况况”。初初步提出出了广义义相对性性原理，，并于年年在《广广义相对对论的基基础》一一文中把把它推广广到所有有的坐标标系中：：“普遍遍的自然然规律是是由那些些对一切切坐标系系都有效效的方程程来表示示的，也也就是说说，它们们对于无无论哪种种代换都都是协变变的（广广义协变变）。””即一切切坐标系系都是平平权的，，这样就就彻底回回答了马马赫关于于坐标系系的疑问问。二、、广广义义协协变变的的引引力力场场方方程程的的建建立立广义义相相对对性性原原理理和和等等效效原原理理的的提提出出，，为为广广义义相相对对论论奠奠定定了了坚坚实实的的思思想想基基础础，，但但离离建建立立完完备备的的广广义义相相对对论论的的理理论论体体系系仍仍有有很很大大的的距距离离。。首首先先遇遇到到的的难难题题就就是是如如何何描描述述引引力力场场，，必必须须找找到到一一个个合合适适的的数数学学工工具具。。从1907年年到到1916年年的的九九年年时时间间，，爱爱因因斯斯坦坦先先后后发发表表了了好好几几篇篇论论文文，，使使广广义义相相对对论论逐逐步步完完备备。。1913年年，，爱爱因因斯斯坦坦与与格格罗罗斯斯曼曼（（M.Grossmann））合合作作，，建建立立了了引引力力的的度度规规场场理理论论，，他他们们联联名名发发表表了了《《广广义义相相对对论论和和引引力力论论》》，，系系统统地地论论述述了了广广义义相相对对论论的的物物理理原原理理和和数数学学方方法法。。他他们们引引入入了了黎黎曼曼张张量量，，把把平平直直空空间间的的张张量量运运算算推推广广到到弯弯曲曲的的黎黎曼曼空空间间。。1915年年，，爱爱因因斯斯坦坦连连续续发发表表了了几几篇篇有有关关广广义义相相对对论论的的论论文文。。其其中中《《用用广广义义相相对对论论解解释释水水星星近近日日点点运运动动》》第第一一次次用用广广义义相相对对论论计计算算出出了了水水星星的的剩剩余余进进动动，，并并且且声声明明：：““在在本本文文中中我我找找到到了了这这种种最最彻彻底底和和最最完完全全的的相相对对论论的的一一个个重重要要证证明明。。””同同年年发发表表了了《《引引力力的的场场方方程程》》，，提提出出了了广广义义相相对对论论引引力力场场方方程程的的完完整整形形式式。。1916年年，，爱爱因因斯斯坦坦发发表表了了《《广广义义相相对对论论的的基基础础》》，，对对广广义义相相对对论论的的研研究究作作了了全全面面的的总总结结。。在在论论文文中中，，爱爱因因斯斯坦坦证证明明了了牛牛顿顿理理论论可可以以作作为为相相对对论论引引力力理理论论的的第第一一级级近近似似，，并并且且给给出出了了谱谱线线红红移移，，光光线线弯弯曲曲，，行行星星轨轨道道近近日日点点进进动动的的理理论论预预言言。。1916年年,爱爱因因斯斯坦坦完完成成了了广广义义相相对对论论，，提提出出了了三三大大天天文文效效应应，，其其中中之之一一，，引引力力场场将将使使星星光光弯弯曲曲的的现现象象。。1919年年，，英英国国爱爱丁丁顿顿，，率率领领一一支支考考察察队队，，利利用用日日全全食食,观观察察到到这这一一现现象象，，并并拍拍摄摄了了照照片片。。相相对对论论的的成成功功震震惊惊了了世世界界!爱因斯坦成成为公众瞩瞩目的人。。广义相对论论的结构体体系可以用用一张图来来表示：迄今为止，，广义相对对论的应用用主要是在在宇观领域域，即宇宙宙学和天体体物理学方方面。从广广义相对论论出发建立立起来的引引力理论是是目前最好好的一种引引力理论。。在现有的的几种与广广义相对论论竞争的理理论中，广广义相对论论占有明显显的优势，