现代物理学领域的一场革命——爱因斯坦创立相对论

在20世纪之初，科学界一位默默无闻的小人物，以创立相对论，突然间成为牛顿之后，世界上无与伦比的最伟大的理论物理学家，他就是阿尔伯特·爱因斯坦。
在爱因斯坦创立相对论之前，电磁学方面的实验现象和新的理论与经典物理学发生了一系列矛盾，物理学已经发生了危机，正酝酿着革命。在上个世纪末，这种危机明显尖锐。从麦克斯韦方程可以推算出光在真空中的速度约为每秒30万公里，并且光速和光源本身的运动无关。
经典物理学告诉我们，任何物体的运动速度都是相对于一定坐标系的。一个坐在火车上的人，以火车作为坐标系，人的速度是零；以地球作为坐标系，人的速度就等于火车的运行速度。为什么会有和坐标系没有关系的不变光速呢？麦克斯韦等人从经典物理学观点出发，用想象中的“以太”来解释光波的传播。“以太”的存在也被迈克耳孙和莫雷的实验所否定。
荷兰物理学家洛伦兹(1853—1928)想弥补新事物和经典物理学之间的裂隙。1892年，他还是抱住“以太”这个概念不放，提出了物体相对于“以太”运动的时候长度将缩短的假设，企图用这样一个假设来解释迈克耳孙和莫雷的实验结果。他还提出高速运动的参考系和静止参考系之间的时间、空间坐标的变换形式，后来被称做洛伦兹变换。洛伦兹把麦克斯韦电磁理论和关于物质的粒子理论结合起来，在研究电磁运动规律的电动力学方面作出了卓越贡献。
爱因斯坦继承了洛伦兹的成就，又远远超越了洛伦兹。他认为，他提出的相对论的实质就是麦克斯韦和洛伦兹电动力学的有系统的发展，而又指向它本身范围以外。
1879年3月14日，阿尔伯特·爱因斯坦出生于德国乌尔姆镇的一个犹太人家里。在青少年时，他在慕尼黑受教育，读过许多自然科学方面的书，科普读物不但增进了爱因斯坦的知识，而且拨动了年轻人好奇的心弦，引发他对问题的思考。爱因斯坦自幼喜欢音乐，并且是一名熟练的小提琴手。17岁时，爱因斯坦到瑞士进入苏黎世理工学院，1900年毕业并取得瑞士国籍。毕业后失业了一年半，在同学的帮助下，在瑞士专利局谋得一个工作。在专利局工作期间，爱因斯坦利用业余时间独自进行科学研究。1905年，他在物理学刊物上发表“分子尺度的新测定”论文，取得苏黎世大学的哲学博士学位。接着发表了4篇重要论文，其中有一篇名为“论动体的电动力学”。这篇论文就是爱因斯坦的狭义相对论，它是爱因斯坦经过10年酝酿和探索完成的。
爱因斯坦创立的相对论包含两种学说，即1905年提出的狭义相对论和1915年提出的广义相对论。
提起狭义相对论，人们马上会想起钟慢尺缩现象。有的科幻题材的作品，描写一个人坐上光子火箭遨游太空，回来后发现自己还很年轻，而孙子已经变成老头。实际上，钟慢尺缩现象只不过是狭义相对论的几个结论之一，它是指高速运动的时候，运动物体上的时钟变慢了，尺子变短了。狭义相对论有两条基本原理，即相对性原理和光速不变原理。从上述两条基本原理出发，所推出的时空变换恰好是洛仑兹变换。在洛仑兹变换下运动尺子缩短，运动时钟变慢。钟慢尺缩现象也就是时间和空间随物质运动而变化的结果。狭义相对论还有一个质量随运动速度而增加的结论。实验中发现，高速运动的电子质量比静止的电子质量大，证实了这个结论。
狭义相对论最重要的结论是质量守恒原理失去了独立性，它和能量守恒原理融合在一起了，质量和能量可以互相转化。两者的关系可以用公式E=MC²来描述，其中E代表能量，M代表质量，C代表光速。这个公式只说明质量是m的物体所蕴藏的全部能量，并不等于都可以释放出来，在核反应中消失的质量就按这个公式转化成能量释放出来。很小量的物质即使只发生部分转变也会释放出巨大的能量。质能转化和守恒原理就是利用原子能的理论基础。
狭义相对论从理论上似乎使人感到高深莫测，长期以来被人视为没有实用价值的假说而搁置不论。自从1945年原子弹袭击长崎、广岛以后，相对论方被人刮目相看。当然，人们不能只根据E=MC²来制造原子弹和建立核电站。在原子弹出世的科学道路上，有许多原子物理学家做出了贡献，但是，爱因斯坦在理论物理学上带有指导性的贡献却是突出而巨大的。1939年，爱因斯坦致函罗斯福总统，指出制造原子武器的可能性，促进了曼哈顿工程的建立，导致了第一颗原子弹的成功试爆。
在狭义相对论中，虽然出现了用牛顿力学观点完全不能理解的结论：空间和时间随物质运动而变化，质量随运动而变化，质量和能量的互相转化。但是，狭义相对论并不是完全和牛顿力学割裂的，当运动速度远比光速低的时候，狭义相对论的结论和牛顿力学就没有什么区别。几十年来的历史发展证明，狭义相对论大大推动了科学前进，成为现代物理学的基本理论之一。
在狭义相对论发表以后，爱因斯坦又经过10年的努力，在数学家的帮助下，运用非欧几里得几何学，完成了广义相对论。在广义相对论中，时间和空间跟引力场有关，而引力场又是由物质产生的。但引力效应并不是通常所说的物理力，而是空间本身弯曲的结果。怎样才能测出空间本身的曲度呢？空间弯曲究竟意味着什么呢？爱因斯坦不仅提出了这一学说，而且把这一学说用清晰的数学公式表达出来，他的数学表达式可以做出一些具体的预见，使他的假说得到验证。比如水星近日点的进动、光谱线的引力红移和引力场中光的弯曲。拿引力对光的作用来说，爱因斯坦预言了从遥远星体射向地球的光线经过太阳附近，由于引力场变化，会发生1.75弧秒的弯曲。1919年5月29日日全食的时候，测得光经过太阳附近的弯曲度是1.61～1.98弧秒之间。1960年在实验室中验证了广义相对论预言的引力场对光的作用。
广义相对论虽然在发表后的几年里就得到一些观测的验证，曾经轰动一时；但是在以后的几十年中，由于很少得到新的观测或者实验的检验，同时也由于数学结构过于艰深，一直很少有人问津。差不多在半个世纪里，广义相对论受到了冷落，游离在物理学发展的主流之外。
20世纪60年代以后，情况发生了新的变化。广义相对论重新焕发了青春。由于大口径的光学望远镜和射电望远镜的发展，陆续发现了一些新天体，那里存在很强的引力场，广义相对论正是进行这方面研究的重要工具，它曾经预言过有引力波。引力是从牛顿时代就为人们所熟悉的，而引力波就不同了。这跟人们很早就知道带电体之间有作用力，但是不等于已经认识到电波的存在一样。直到1978年，人们才从对一个脉冲双星系进行几年观测结果的分析中，找到了引力波存在的间接证据。
爱因斯坦还根据广义相对论，提出了关于宇宙的有限无边模型，推动了宇宙学的发展。爱因斯坦创立相对论，关键过程的完成是靠直觉的，是一种经过长期酝酿、反复思考以后的豁然省悟。承认科学创造中的直觉作用，承认爱因斯坦非凡的思维洞察力，从这个意义上讲，他是个天才的科学家，他的攀登之路并不是随便什么人都能够开创出来的。
爱因斯坦创立的相对论，是现代物理学领域的一场大革命，开创了物理学的新纪元。他的一生，在人类对宇宙认识的贡献上是无与匹敌的，被誉为人类历史上的科学巨人。