爱因斯坦的发明(爱因斯坦获得的成就)

2024-04-06 08:31 星期六 46点热度 0人点赞

对于爱因斯坦在科学界的贡献,大家可能有很多意见,但对于他在科学界的排名应该意见不大,第一位不是牛顿就是爱因斯坦,这几乎成了大家公认两位最伟大的科学家,也许有朋友也会在第三名排上麦克斯韦,但爱因斯坦到底做了什么,他最伟大的成就到底是哪一项,也许各位还不一定说得出来!
集众人所成的狭义相对论
这不是爱因斯坦独创的理论吗?怎么变成集众人所成了?其实我们在这里必须要纠正下,狭义相对论中的部分条件或者假设却已经早已有科学家铺垫!
"麦克斯韦方程组"的光速常量
麦克斯韦方程组统一了电磁学,可能大家对电磁学和相对论的关系并不十分清楚,但麦克斯韦统一电磁学直接导致了相对论的诞生!1860年麦克斯韦提出的方程组中的第四个波动方程可以直接推导出光速是一个常量!
当时麦克斯韦推导出的是电磁波速度,但麦克斯韦推测也是电磁波的一种,后来证明麦克斯韦的判断是准确的,但这个速度是相对谁的呢?当时无人能回答这个问题!
迈克尔逊-莫雷“光在以太中的速度”实验
这是在1887年的一个光速实验,目的是证明以太的存在,但却意外的证明了光速不变这个理论。
洛伦兹变化和庞加拉解释
在迈克尔逊-莫雷实验的零结果中尽管证明了光速不变,但当时并未抛弃以太说,洛伦兹以在运动方向上长度缩短,运动中时间变慢的“洛伦兹变换”成功解释了迈克尔逊·莫雷实验的零结果!庞加莱则以本地时不同坐标系通过以光速同步予以解释,其实这已经是狭义相对论中同时性的相对性的概念
爱因斯坦狭义相对论出世
1905年,爱因斯坦抛弃了以太假说,以光速不变和下一相对性原理的两条基本假设推出了相对论,同时洛伦兹变换也被保留。
纵观狭义相对论诞生的过程,为狭义相对论做铺垫的是麦克斯韦和迈克尔逊-莫雷实验,几乎摸到了门槛的是洛伦兹和庞加莱,但两者仍然没有打破陈规,死守以太假说,结果与狭义相对论擦肩而过,但不可否认洛伦兹和庞加莱是狭义相对论最大的助力者,甚至爱因斯坦也认为,即使他不推出狭义相对论,那么最长5年后也会有人推出来!
爱因斯坦的奇迹之年
上文我们将爱因斯坦的奇迹之一狭义相对论交代了,因为这个成就实在值得单独说明!下面我们再来说说另外四个奇迹
质能方程
爱因斯坦在1905年9月26日发表了《论运动物体的电动力学》,紧接着9月27日发表了《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,没错你猜对了,这就是E=mc2,人家一辈子这样一个成就足矣,爱因斯坦两天发表两个。
质能方程的指导意义实在可以称得上伟大,它解决的并不只是后来恒星发光的能量来源,更不是原子弹和氢弹的爆炸原理,而是宇宙诞生的物质来源!
光电理论
同年爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中提出了光量子假说,他认为光子的能量是频率乘以普朗克常数,假如这个光子的能量足够,那么它将使得一个电子逃离,这就是光电效应原理的来龙去脉!也许爱因斯坦才是量子力学的鼻祖,尽管他在后期的量子力学发展中是最大的反对者。
除此以外,还有测定分子大小和布朗运动的《分子大小的新测定》、《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》,当然我们不知道爱因斯坦的妻子米列娃在中间扮演了什么角色,因为和米列娃是爱因斯坦的物理专业同学,是可以和爱因斯坦讨论与建议的。但无论如何,一年五个诺奖级成就,绝对能令人目瞪口呆!
爱因斯坦独家:广义相对论
如果说狭义相对论是爱因斯坦集众人成就创立,那么广义相对论可是实实在在的爱氏独家!1905年爱因斯坦在发表了狭义相对论之后,甚至一刻都没有陶醉在自我成就之中,几乎立即就开始了广义相对论的思考,爱因斯坦将狭义相对性原理推广到了广义相对性原理,即:
在所有坐标系下物理定律都是一样的
和狭义相对论设定的前提只有两个,而广义相对论设定的前提只有一个,只要接受了这个前提,无论从中推导出什么结果,我们都得认了!但从中推导出来的结果却是颠覆性的,简直令人难以置信,即使在100多年后的今天,仍然有很多朋友对物理学家惠勒总结的形象却又无比深刻的广义相对论的精髓怀疑不已:
物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。
你可以不相信广义相对论所阐述的简单而又深刻的事实,但你必须得了解从二十世纪到二十一世纪,天文界的伟大发现与理论验证都和广义相对论是分不开的,如果你有兴趣,我们不妨做个简单的统计!
1915年,爱因斯坦证明了广义相对论可以解释水星进动的现象(广相在1915年就完成,1916年才发表)在爱因斯坦发表广相的同年,史瓦希在一战战场上从广相引力场方程中推导出了史瓦希半径,即天体质量不变的情况下,等于或者小于其史瓦希半径时将会坍缩成黑洞。1919年爱丁顿带队观测到了日食时本不应看到的毕宿星团的亮星,表明光线受到了引力场弯曲的影响。1922年,苏联物理学家弗里德曼简化推导的方式,假设宇宙物质分布是均匀的,从广义相对论中给出了宇宙模型的场方程。1927年勒梅特在求解弗里德曼场方程时提出了宇宙膨胀的观点。1929年哈勃观测到遥远星系加速原理,从而发现了宇宙正在膨胀。1934年弗里茨·兹威基在研究后发座星系团运动时,用维里定理推算出星系内部存在暗物质。1934年Tolman发现在宇宙中辐射温度会随时间演化而改变。1948年美国物理学家伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼估算出宇宙残留的黑体辐射约为5-10K1960年庞德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡尔效应的实验方法测量了到了引力红移现象。1964年天鹅座X-1被发现,这个强X射线源是公认的第一个黑洞候选对象1965年阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现宇宙微波背景辐射。后续观测正是弗里德曼假设的各向同性正确性。1974年拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现赫尔斯-泰勒脉冲双星公转时,间接证明爱因斯坦当年预言的引力波。1980年,天文学家观测到类星体Q0957+561产生的引力透镜现象,这是光线弯曲的另一个版本1998年两个团队研究Ia型超新星红移发现,宇宙正在加速膨胀.2016年LIGO和VIRGO宣布发现双黑洞合并的引力波。
以上流水帐记录大致记录了二十世纪到二十一世纪发现的与广义相对论有关的重大天文事件,无论哪一项都是举世瞩目的成就,但这些现象的源头就是广义相对论!当然还有一个事实必须要提醒一下,质能方程告诉我们物质是怎么来的,而广义相对论却能推导出宇宙是怎么来的,两个理论结合,似乎将我们宇宙发生的一切都给囊括了!爱因斯坦打开了一个魔盒,但很幸运放出来的不是一个魔鬼,而是广义相对论!
比较好玩的是,一波三折之后,1921年的诺贝尔奖颁给了爱因斯坦最不起眼的光电理论,而众望所归的狭义和广义相对论却始终未能如诺贝尔奖评选为会员的法眼,这可能是委员会最难解释的案例之一,如果再来一次,他们宁愿颁发三次来弥补这个过失!不过爱因斯坦的成就远未结束,按惯例,我们还得提提爱因斯坦其他顺便发现的科学成就
1916年爱因斯坦提出的光与物质相互作用理论,预言了激光的存在,1960年科学家制造出了激光1924年爱因斯坦在手稿中以光子的统计力学为基础,预言了玻色-爱因斯坦凝聚态。1995年,沃夫冈·凯特利与埃里克·康奈尔以及卡尔·威曼首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚态。
而从爱因斯坦理论中研究或者从他理论推导出的理论的研究中获得诺贝尔奖的科学家难以计数,爱因斯坦的伟大在二十一世纪仍将继续发酵。所以请不要用多厉害这种形容街头卖艺的形容词来描绘爱因斯坦,他的传说在未来数百年仍将继续流传。

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