第七章    物理学革命与现代科学的产生(3)

1900年，爱因斯坦顺利通过了毕业考试，他很想和格罗斯曼一样留校工作，可是，却没有哪个教授愿意请他当助手，因而他一毕业就失业了。在找工作的两年间，爱因斯坦尝到了生活的艰辛。幸运的是，在几乎走投无路的时候，格罗斯曼的父亲帮助他谋得了一份瑞士专利局的工作，虽然只是个最低等级的技术员，工资也不高，爱因斯坦却很满意，这使得他不用再为衣食奔波，而且有充分的业余时间从事科学研究了。

1902年6月至1909年10月间，在专利局工作的7年是爱因斯坦科学创造的辉煌时期，特别是1905年，他取得的科学成就堪称人类智慧的奇迹。

1905年的奇迹

这一年，爱因斯坦完成了六篇论文。

比如硅的pin光探测器，（pin 表示探测器由一层较厚的本征半导体夹在一层p型和一层n型半导体中间）， 其光电转化量子效率大概是 30 %, 截止频率大概是 100 khz，但是如果在还是用硅材料的情况下，把本征半导体i层加厚，做成一个雪崩效应硅探测器，那么其光电转化量子效应可以在加大偏置电压的情况下增加到 ~ 500 %， 而这个时候器件的截止频率急剧下降，变成只有 ~ 1 khz.。 ) 气、液、固态的并存与转化极大的表面/体积比异常高的化学活性和催化活性结构的多样性和排列的非周期性电子的原子壳层、原子簇壳层和能带结构的过渡和转化光的量子尺寸效应和非线性效应电导的几何尺寸效应 metal nanocrystals in closed-shell configurations with magic number of atoms the relation between the total number of atoms in full shell (&lsquo。纳米银粒因其特殊的结构，使之产生小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性质。

同年4月，他完成

博士论文《分子大小的新测定法》，论文被题为献给“

我的朋友，格罗斯曼 先生”

。爱因斯坦以此论文向苏黎世大学申请 博士学位，1906

年 1月获得批准。

5月，他完成有关布朗运动的论文，间接证明了分子的存在。

6月，完成《论动体的电动力学》，刊于《德国物理学年鉴》第17卷第891-921页。正是这篇论文，爱因斯坦提出了举世闻名的狭义相对论。

9月，完成了有关质能关系式——E = mc2的论文，此关系式构成了原子弹的理论基础。

12月，完成又一篇布朗运动的论文。

这些论文涉及物理学的三个不同的领域，其中光量子、布朗运动、狭义相对论和质能方程都是历史性的成就。而狭义相对论的建立，开创了物理学的新纪元，并对二十世纪的哲学思想产生了深远的影响。这一年，他还在《物理学杂志增刊》发表了21篇书评，内容泛及当时理论物理学界几乎所有重大问题，显现出惊人的科学洞察力。这时的爱因斯坦年仅26岁。

他的狭义相对论充满了难懂的革命性思想，但只用了当时大学生都能理解的数学，并且没有引用任何参考文献。一般而言发表的可能性很小，幸运的是，这篇论文被送给普朗克审阅。当时，普朗克已是德国物理学界的权威，他高度赞扬了爱因斯坦的工作，认为可与哥白尼的学说相媲美。在普朗克的推荐下，论文很快被接受了，这使得爱因斯坦的创见一开始就在德国科学界有所反响。

1909年，爱因斯坦被苏黎世大学聘为副教授，1912年，升为教授，爱因斯坦终于得到了心仪已久的职务。1913年，普朗克邀请爱因斯坦回德国工作，同年，普鲁士科学院选举爱因斯坦为院士。1914年4月，爱因斯坦担任威廉皇帝的物理研究所所长，兼柏林大学教授。

正当人们忙于理解狭义相对论的时候，爱因斯坦却独自踏上了艰难的探索之路，终于在1915年完成了广义相对论。

第二次创造高峰

1915年至1917年是爱因斯坦科学生涯的第二个高峰。在此期间，他做出了三个划时代的贡献，即1915年的广义相对论、1916年的受激辐射概念、1917年的宇宙动力学方程。

广义相对论的建立较之狭义相对论要漫长而艰难得多，为此，爱因斯坦几乎单枪匹马付出了8年艰辛的劳作。其最初的思想产生于1907年。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。1915年，爱因斯坦修正了该错误，11月，他一连向普鲁士科学院提交了三篇论文——《关于广义相对论》、《用广义相对论解释水星近日点运动》、《引力的场方程》，这些论文标志着广义相对论的完成。1916年初，爱因斯坦以《广义相对论基础》一文用尽可能简单的形式向物理学家们系统全面地介绍了广义相对论的物理思想和数学方法，最后还给出了三个可验证的推论，后来，这些推论都得到了辉煌的证实。1916年底，他又写了一本科普小册子《狭义与广义相对论浅说》，用通俗的语言向一般大众介绍了相对论的思想。

1916年秋天，爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》一文中，提出了受激辐射概念，这一思想后来得到进一步深化和发展，成为现代激光技术的理论基础。

广义相对论是有关引力和大尺度空间的理论，它最有可能在宇宙学中得到应用。基于这一点，1917年，爱因斯坦将广义相对论运用于宇宙学，在宇宙和谐统一的前提下，写出了第一个宇宙动力学方程，求解此方程得到了一个有界无边、过去现在未来都一样的静态宇宙模型。虽然这个静态宇宙被现代宇宙观测否定了，但爱因斯坦的工作赋予了宇宙学思想以清晰的数学形式，使其从哲学思辨转变为可证实或证伪的实证科学，这无疑是了不起的创举。

无止境的探索

1925年至1955年这30年间，除了与玻尔进行关于量子力学完备性的论争，爱因斯坦用自己全部的科学创造精力致力于统一场的研究。他企图通过电磁场几何化的途径统一引力场和电磁场，进而将相对论和量子学说也统一起来。他的努力屡遭失败，到了都没有取得有价值的成果，但敢为天下先的他屡败屡战，始终坚守世界和谐统一的信念。他说：“我完成不了这项工作了，它将被遗忘，但是将来会被重新发现，历史上这样的先例很多。”历史的发展没有辜负爱因斯坦，进入21世纪，统一场论的研究已成为理论物理的前沿阵地，成为科学界的共同事业。虽然已经提出的一些统一场论，如“大统一理论”、“超引力理论”、“超弦理论”还不成功，其物理思想、数学工具也不同于爱因斯坦的统一场，但其范导原则却都是一致的。这表明世界和谐统一的信念已成为科学家们的共同信念。

2、狭义相对论的建立

十九世纪以来，以牛顿力学为基础的经典物理学体系在各个领域都取得了辉煌成就，但“以太漂移”的零结果却暴露出经典体系潜在的危机，以洛伦兹为代表的老一辈物理学家采取修补的办法暂时保全了经典体系的完整，年轻的爱因斯坦却以更高的视角来审视这个问题。

爱因斯坦从少年时起就开始阅读哲学著作，喜爱哲学思考。英国哲学家休谟（D. Hume）和马赫（E.Mach）对牛顿绝对时空观的批判，荷兰哲学家斯宾诺莎关于自然界统一性的思想都深深地启发过他。狭义相对论就始终贯穿着对科学思想统一性的追求。《论动体的电动力学》第一句话就是“大家知道，麦克斯韦电动力学应用到运动物体上时，就要引起不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的。”这里的不对称便意指自然现象的统一性遭到破坏。我们知道，经典力学中有一个普遍的“相对性原理”，即力学运动定律相对于任何惯性参照体系其形式保持不变，但这一原理在麦克斯韦电动力学中却不成立，因为麦克斯韦电磁方程组只适用于静止参照系。爱因斯坦认为这种“不对称”不像是自然自身固有的，问题可能出在我们理解自然的观念上，经过多年思考，他发现，只要我们放弃完全不能测度的牛顿“绝对时空”就能保持“相对性原理”的普遍性。“以太漂移”的零结果恰好说明代表绝对空间的“以太”完全是多余的。

依照上述思路，爱因斯坦建立了一个完整的狭义相对论理论框架。该体系有两个前提：其一、相对论原理，即科学规律，包括电磁学规律相对任何惯性参照体系不变；其二、光速不变原理，即光速相对任何参照系保持不变。从这两个前提出发，可以很自然地推导出洛伦兹变换，并得出如下结论：1、运动物体在运动方向上长度收缩；2、运动着的钟表变慢；3、光速是自然事物运动速度的极限；4、“同时”是相对的，在一个惯性系中同时发生的两个事件，在另一个惯性系看来就不一定是同时的；5、当物质运动速度比光速小很多时，相对论力学就自然过渡到牛顿力学，相对论力学更具普遍性；6、物质的能量等于其惯性质量乘以光速的平方。

相对论（Relativtheorie）一词最先是由普朗克提出的，爱因斯坦自己从1907年开始采用此名。1910年，德国数学家克莱因（F.C.Klein）建议改名为“不变论”（Invariantentheorie），爱因斯坦内心是喜爱这个名称的，因为他建立这个理论的目的就是为了维护科学规律的不变性、绝对性，也可避免人们望文生义与哲学上的相对主义混为一谈，但他也担心会引起另一种混乱，故而没有采用。

爱因斯坦特别强调，一个量只有给出可操作的定义才具有真实的物理意义，否则，就只能是一个哲学思辨概念。他恢复了科学时空概念的测度本质，将时空与物质运动重新联系在一起，同时认为，时间空间是不可分割的同一整体之不同方面。爱因斯坦大学时的数学老师闵科夫斯基对这一思想极为赞赏，将其转换为优雅的数学形式，他说：“空间自身和时间自身，被宣告隐退，惟有它们的某种结合来维持一个独立的实在……空间和时间消失在阴影中，惟有世界自身存在。”

正当全世界为狭义相对论的诞生而震动、惊讶、争论时，爱因斯坦已对自己的理论感到不满了，因为他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，已知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。

爱因斯坦又一次踏上了探索之路。

3、 广义相对论的建立

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。

任何一种思想在没有被绝对的否认之前，那么这种思想所形成的视角、背景、判断以及它所述说的意义，都会有着一定程度上的客观价值所在，而这种思想的价值则在于它所被认可的程度和意义，就是人对于这种思想的理解感知，这是人性思维里最简单、也是最真实的评定所在，这也就评定出一种思想是否伟大，而这种思想又是否可以成为价值观的由来。力的分解是等效思想的具体应用，等效思想是物理学重要的思想方法之一，学习力的合成时学生已有所了解，本节教学要注意让学生进一步了解和运用等效思想。[0014]以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

这样，广义相对论原理和等效原理成为广义相对论的两个基本前提，在此前提下，爱因斯坦建立了新的辉煌理论。

在，孙元起深入浅出地阐述了论提出的各种原理，向大家展示了广义相对论的魅力，并提出三项实验可以检验广义相对论的正确与否：一是水星近日点的进动，二是光线在引力场的弯曲，三是光谱线的引力红移。第六章的标题为”弯曲空间“这是一个全新的概念，爱因斯坦在广义相对论中有一个革命的设想:引力不同于其他力，他不是力，只不过是时空并不平坦这一事实的结果。又因为相对论对奇点无能为力，但迄今为止因周边引力场的微弱，所有的实验都支持他，他大体是正确的但又瑕疵，而在宇宙的早期，当宇宙中所有的物质和能量都背压缩成非常小得体积时，引力场变得非常强大，在如此强大的引力场时，量子理论有重要效应，故而，为找到一个统一的理论将二者结合成量子引力论是必要的，但又意思的是，量子引力论有一种和宇宙大爆炸截然不同的宇宙起源的可能，即时空是没有边界的，那么宇宙会是完全自给自足的，没有开端和结束，不被创造和消灭，他只是存在。