《狭义与广义相对论浅说》

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《狭义与广义相对论浅说》这本书可以说是20世纪最伟大的科学理论，改变了人们对宇宙的认识，同时，它也是一本当代青年不可不读的经典名著。

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《狭义与广义相对论浅说》 - 名书简介

《狭义与广义相对论浅说》作者：（德国）艾尔伯特·爱因斯坦（1879-1955年）
类型： 自然科学论著
成书时间：1916年

《狭义与广义相对论浅说》 - 背景搜索

　爱因斯坦爱因斯坦是理论物理学家、数学家、相对论的创始人。他于1879年3月14日出生于德国的乌尔姆城的一个犹太家庭。爱因斯坦受家庭的影响，从小对德国的启蒙思想非常感兴趣，而对当时流行的军国主义教育很不以为然，他在中学期间就阅读了大量的科学书籍。1895年爱因斯坦就读于瑞士苏黎世联邦工业大学。1900年毕业后爱因斯坦并没有马上找到工作，两年后他才在伯尔尼的瑞士专利局做过7年的技术审查员。

爱因斯坦于1905年提出了相对论的思想，发表了狭义相对论、光电效应和布朗运动等方面的论文。这些论文，特别是狭义相对论那篇，在几年之内就使他享有世界上最杰出、最富有创造性的科学家的盛名。他的学说引起了激烈的争论，除达尔文外没有哪位现代科学家像爱因斯坦引起那么多的争论。尽管如此，他仍被任命为柏林大学教授，同时还担任威廉物理研究所所长和普鲁士科学院院士。

阿尔伯特·爱因斯坦1915年又提出了广义相对论原理。爱因斯坦的相对论思想发表并在1919年得到证实以后，他获得了极大的声誉。1921年他获得诺贝尔奖。

但是当法西斯主义上台以后，爱因斯坦也无法逃过厄运。由于犹太人的身份，他在1933年不得不离开瑞士来到美国，移居新泽西州普林斯顿市。1944年他加入美国籍，后来又娶妻成家。1955年他在普林斯顿去世。

爱因斯坦一生的科学研究成果非常显著，他除了在相对论方面为20世纪的科学发展做出了巨大的贡献之外，还在量子物理学方面有伟大的贡献。爱因斯坦还是一位和平主义者，在二战期间竭力反对战争，为维护和平做出了巨大的贡献。爱因斯坦的主要著作有《相对论的意义》（1923年）、《布朗运动理论研究》（1926年）、《宇宙的建造者》（1932年）、《理论物理学方法》（1933年）、《物理学的进化》（与利奥波尔德·英菲尔德合著，1938年）等。

《狭义与广义相对论浅说》 - 内容精要

1934年的爱因斯坦爱因斯坦作为一个著名的科学家，不仅创造了深奥的相对论理论，而且试图把这种深奥的科学理论让更多的人了解，于是他写作了《狭义与广义相对论浅说》。这本书分为两部分： 《狭义相对论》（1905年发表），《广义相对论》（1915年发表）。《狭义与广义相对论浅说》是物理学科中的重要经典著作之一，也是爱因斯坦亲自对他的相对论所做的大众化解释。

爱因斯坦根据自然科学和几何学发展状况，批判了欧几里得几何，接受和运用了非欧几何，并运用非欧几何来建立和论证他的相对论理论。

狭义相对论有两个基本原理：第一个原理是相对性原理，即物理学定律在所有惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性系。时间与空间观念都具有相对性。一个观察者看来是同时发生的事件，另一个向他做相对运动的观察者看来便不是同时发生的。两个这样的观察者对两个事件之间的时间间隔的估计将会不一致，同时他们对距离的衡量也会不一致。假定两个相对匀速运动的观察者所得到的光速相同，那么只要他们对时间与空间运用不同的量度，就能对于现象得到相同的自然规律，并能精确地说明这种差别有多少。换句话说， 每个观察者都有自己一套时间———空间的框架，对于一切观察者全都相同的绝对空间时间是不存在的。

爱因斯坦画像第二个原理是光速不变原理，即在所有的惯性系中，真空中光的速度具有相同的值。假定一个观察者，带着一把码尺和一只座钟，并把码尺指向他运动的方向。当他向观察者B旁边走过时，在A看来他的尺子不足一码长，他的钟也慢了。B 相对于A的速度愈大，这差额也就愈大。假如B用光速在A的旁边通过，我们得到的结果是惊人的，这时B的码尺长度将等于0，他的钟也完全不走了。这就是说光速是速度的极限，宇宙间没有任何东西能以大于光速的速度运动。运动尺子的缩短和运动时钟的变慢效应，都是相对论时空的基本属性，与物体内部结构无关。如果物体速度比光速小得多，相对论力学就可解释牛顿力学。

在相对论之前，物理学中承认两条极重要的守恒定律，一条是能量守恒定律，一条是质量守恒定律，两条基本定律似乎彼此独立。但通过相对论它们便可结合成一条定律，质量和能量可以变成互换的项目。一个物体如果放射出能量就会损失质量，如果接受能量就会增加质量，当一物体加快运动时，它的能量和质量都会增加，在光速的情况下，它的质量将变成无穷大。这个质量与能量的关系可以通过数学上推导，写成一个表达式：E＝mc^2 (E为能量，N为质量，C为光速）。

爱因斯坦建立狭义相对论后，爱因斯坦看到了这个理论的局限性，因为它把相对性原理限制在两个做相对匀速运动的惯性系里。它否定了静止的以太阳作为特殊的坐标系是一大进步，但实际上还没有真正解决经典力学中的古老难题。

早在200年前，伽利略就发现，所有的惯性系，对于表述力学定律都是同样有效的，平等的，不存在任何特殊的惯性系，这就是说，任何力学实验都无法辨别惯性系本身的运动状态。这种运动的相对性，在古典力学中普遍存在，但在麦克思韦电动力学中不能成立，因为它只适用于静止的坐标系。经典力学是无法回到惯性系在物理学中的优越性的，因此爱因斯坦意识到要进一步探明这个问题，就必须扩大相对性原理的应用范围。他将自己的研究领域从惯性系拓展到了非惯性系。

在古典力学中，物质有两种质量。一是牛顿第二定律中的惯性质量，二是万有引力定律中的引力质量。地球表面上的任何一个物体都要受到地球对它的引力，并因此会产生加速度。实验告诉人们，一切自由落体在引力作用下都具有同样的加速度。由此可以推算，引力质量与惯性质量是相等的。牛顿曾经研究过这个问题，但没有得到理论上的解释。长期以来，物理学家一直认为两种质量相等是理所当然的，无需从理论上再加以研究。爱因斯坦经过一段时间认真思索，认识到惯性质量与引力质量相等是解决引力问题的关键。以两种质量相等为基础，他提出著名的等效原理：一个加速系统所看到的运动与存在引力场的惯性系统所看到的运动完全相同。爱因斯坦说：完全等效性这一假说，使我们不能说任何参照系有绝对速度一样，并且它使一切在引力场中等加速下落成为当然的事。在“等效原理”的基础上，他又进一步提出了“广义协变原理”：在任何参照系中，物理学规律的数学形式是相同的。就这样，他把相对性原理从惯性系推广到非惯性系。正因为“广义协变原理”是狭义相对论的相对性原理的一种推广，所以爱因斯坦把这种引力理论称为“广义相对论”。

流亡美国的爱因斯坦广义相对论实质上是一种引力理论，在有引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里得几何，而遵循着非欧几何。比如19世纪德国数学家黎曼所建立的黎曼几何学就是非欧几何学的一种，它描写了非平直空间的性质。爱因斯坦最终选择了黎曼的严格非欧几何作为广义相对论的时空模型。他认为，现实的物质空间不是平直的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。空间的弯曲程度取决于物质的质量及其在空间的几何分布情况。物质密度大的地方，则引力场的强度也大，时空就弯曲得厉害。所以把绝对真空看作一个物理实体是毫无意义的。很显然，广义相对论所揭示的物质同时空的关系，比起狭义相对论来更为深刻。因为时空的性质不仅取决于物质的运动，而且更重要的是取决于物质本身的分布。这就从新的高度彻底否定了牛顿的绝对时空观。

广义相对论把几何学与物理学统一起来，用空间结构的几何性质来表述引力场。它同牛顿的引力论有本质的不同，但在日常人们接触到的现象中却分辨不出两者结果的差异。爱因斯坦提供了三个可供实验验证的推论。第一是水星轨道近日点的进动。第二，光线在引力场中的偏转。第三，在强引力场中，时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面射到地球上的光的谱线，必定显得要向光谱的红端移动。这在1925年得到观测验证。

《狭义与广义相对论浅说》 - 专家点评

少年爱因斯坦1905年，一位供职于瑞士国家专利局、名叫爱因斯坦的26岁德国人，在德国科学杂志《物理年报》上连续发表了三篇论文。其中《论运动物体的电动力学》，提出了根本有别于传统观念的空间、时间理论，而在当时，它只在德国引起了一些反响，并没有得到其他绝大多数物理学家的注意。今天，人们评价说，这3篇论文代表了世界理论物理学方面最重要的成就，即使作者此前从未写过一个字，仅凭这三篇文章也足以成为伟人。爱因斯坦成了“天才”的代名词。

“天才”并不是一蹴而就的，19世纪末20世纪初，自然科学取得了巨大的成就，电子理论、量子物理学相继创立，兴起了现代物理学革命。与此同时，在数学领域也出现了黎曼几何，打破了长期占统治地位的欧几里得几何。这一切都为爱因斯坦创立相对论奠定了坚实的基础。

爱因斯坦一改以往人们头脑中的观念，论证了时间和空间是相对的，只有独立于观察者之外的光速是个常数。爱因斯坦证明，当物体的速度接近光速时，其长度就会减小，质量就会增加，时间就会放慢。由此推论，假如物体的速度与光的速度相同时，其长度为0，质量不会再增加，而且时间也就停止了。爱因斯坦根据这种不可能性得出了一个结论：任何物体都不会以光速和超过光速运动。这项被称为“相对论”的理论弥补了牛顿物理学长达两个世纪的不足，爱因斯坦将时间与空间相结合，创立了新的四维宇宙空间的学说。

青年爱因斯坦但爱因斯坦认为狭义相对论还存在有一定的缺陷，所以，他决定进一步地发展相对论的理论。大物理学家普朗克曾经对爱因斯坦建立狭义相对论给予强有力的支持，但他认为建立狭义相对论后问题就解决了，所以他对爱因斯坦说：“现在一切都明白地解释了，您为什么又忙于另一个问题(指广义相对论）呢？”爱因斯坦不顾朋友的劝告，仍然单独进行深入的、刻苦的研究，最终建立了广义相对论。这一次，爱因斯坦把“物质”的概念引入了他的相对论中，他认为，物质也是空间的一种属性，同样与时间密不可分。广义相对论在全球科学界引起了震动，质疑也接踵而来。爱因斯坦的相对论，完全是靠个人的非凡智慧完成的纯理论探索，他所有的假说都不是源于观察，而是来自推测，能够验证它的实验非常之少。为此，有人甚至感慨：“广义相对论是何等美丽的理论，可是实验却少到令人羞愧。”有人则说，广义相对论是理论物理学家的天堂，实验物理学家的地狱。

相对于那些终其一生而不被承认的伟大天才而言，爱因斯坦是幸运的。依据相对论，爱因斯坦预言，当一束光线通过太阳表面时，它的弯曲程度将是牛顿力学及其所解释的弯曲程度的两倍。在相对论提出后仅3年，在1919年出现的一次日食中，他的假说便得到验证。这使广义相对论顷刻间闻名于世。

爱因斯坦教授相对论彻底改变了人们对时空观的认知，带来了整个物理学的革命。然而对大多数人来说，理解这样的一套理论体系还是颇费一番脑筋的。爱因斯坦为了让更多的人了解相对论的思想，乐于写普及大众的读物来介绍这20世纪最伟大的科学发现之一。他专门写了《狭义与广义相对论浅说》这本小册子，文章很少涉及到数学和科学引证，逻辑性自然而完美，人们惊叹：“好像有谁已经给作者看过宇宙的运行过程，而他只是把所看到的记录下来而已。”爱因斯坦显然十分喜欢这项工作，不断地修订再版，直到他去世前3年，即1952年，这本书已经出到了它的第15版。

爱因斯坦的《狭义与广义相对论浅说》是人类科学史上一部划时代的著作，它提出了一套崭新的科学理论，引起了科学史上的伟大变革，对整个人类思想的发展都产生了巨大的深远的影响。爱因斯坦在这本书中深刻地揭示了时间和空间的本质属性，论证了时间和空间的内在联系和统一性；同时也发展和改造了牛顿力学，使之适用于更广阔范围的力学现象，揭示了质量和能量之间的内在联系，以及力学和电磁学的统一性，对引力提出了全新的解释，回答并解决了时间和空间的对称性问题，使人们对世界的研究发展到了一个新的阶段。

相对论曾任英国皇家学会会长的汤姆森,1919年说：爱因斯坦的理论是“人类思想史中最伟大的成就之一”，“它不是发现一个外围的岛屿，而是发现整个科学新思想的大陆”。物理学家狄拉克认为爱因斯坦的引力理论 “大概是人类已经做出的最伟大的科学发现”。

相对论不仅引起了时空观的革命，也带来了整个物理学的革命，产生了深远的影响。其中最突出的，是关于物体的质量和能量相对性的推论，即E＝mc^2 。这为以后原子弹的制造、核能的和平利用打下了理论基础。

用爱因斯坦的话来说，他的一生踌躇于政治和方程式之间。作为一个和平爱好者，他当然能够预见原子弹的巨大威力，一度反对在自己理论的基础上发展核武器。但是当他见到纳粹的暴行时，他放弃了自己原先的想法，在1939年致函罗斯福总统，指出了制造原子武器的可能性，强调了美国抢在德国前面造出这种武器的重要意义。就是这封信促进了曼哈顿工程的建立，导致了第一颗原子弹的发射。连爱因斯坦自己也没有想过，自己脑袋中思考的理论，有一天会产生如此巨大的威力。

阿尔伯特·爱因斯坦作为一个犹太人，他于1952年声明支持犹太复国主义运动。以色列建国时，曾邀请他出任总理，爱因斯坦拒绝了，他认为自己在政治上太天真。也许其真正的原因却并非如此，还是听一听他曾经说过的话：“方程对我而言更重要些，因为政治是为当前，而一个方程却是一种永恒的东西。”

确实如此，爱因斯坦精巧对称的数学方程夯实了他的理论大厦，他的学说到目前为止经受住了各种检验。就现在的情况来说，无论从理论还是从实验来看，爱因斯坦的相对论所得出的推论都近似正确。未来的实验可能会打破这一学说的完美纪录，但到目前为止，它仍是最接近于科学家设想过的真理极限。

相对论不仅是20世纪科学理论的一项重大发展，而且也体现了20世纪人类在世界观方面的许多基本概念的激烈变革，这场从物理学开始的变革，迅速蔓延到各个学科领域促成了各门科学理论的飞快发展。

《狭义与广义相对论浅说》 - 妙语佳句

宽容意味着尊重别人的各种信念。

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