走進愛因斯坦的世界，一窺相對論的奧秘
1911年的一天，在布拉格大學校園裡的一片草地上，一群大學生圍坐在一位年輕學者的身旁，正進行著激烈的討論。「請您通俗地解釋一下，什麼叫相對論?」一位學生微笑著向青年學者發問。年輕學者環視一下周圍的男女學生，微笑著答道：「如果你在一個漂亮的姑娘旁邊坐了兩個小時，就會覺得只過了1分鐘；而你若在一個火爐旁邊坐著，即使只坐1分鐘，也會感覺到已過了兩個小時。這就是相對論。」大學生們先是一愣，接著便大笑起來。「好!今天我們就談到這裡。」年輕學者站起身來，向大家告別後，便向圖書館走去。
布拉格查理大學
這位年輕學者，就是偉大的科學家，相對論的創始人——愛因斯坦。
一、愛因斯坦的簡歷
愛因斯坦1879年3月14日出生在德國的一個猶太人家庭。父親是一個電器作坊的小業主，當愛因斯坦15歲時，父親因企業倒閉帶領全家遷往義大利謀生。
1896年秋天，愛基斯坦就讀於瑞士聯邦高等工業學校。在學校里，除了數學課以外，他對其它講得枯燥無味的課程都不感興趣。但熱衷於探索自然界的奧秘，對此他產生了濃厚的興趣，利用課外時間閱讀大量有關哲學和自然科學的書籍。
1900年，愛因斯坦從瑞士聯邦高等工業學校畢業後，加入了瑞士國籍，長期找不到工作。兩年後，他才在瑞士聯邦專利局找到同科學研究無關的固定職業。但在專利局供職期間，他不顧工資低微的清貧生活，堅持不懈地利用業餘時間進行科學研究，並不斷取得成果。
二、狹義相對論
1905年，愛因斯坦在物理學方面的研究，取得突破性進展，創立了狹義相對論。這時他剛剛26歲。相對論是愛因斯坦在自己題為《論動體的電動力學》這篇論文中提出的。
在此之前，傳說物理學的時空觀是靜止的、機械的、絕對的，空間、時間、物質和物質運動相互獨立，彼此沒有什麼內在聯繫。
也就是說，物質只不過是孤立地處於空間的某一個位置，物質運動只是在虛無的、絕對的空間作位置移動，時間也是絕對的，它到處都是一樣的，是獨立於空間的不斷流逝著的長流。這就是牛頓古典力學的時空觀。
愛因斯坦以極大的毅力和膽識，突破了傳統物理學的束縛，猛烈地衝擊形而上學的自然觀。他認為，空間、時間、物質和物質運動，彼此不可分割，它們之間緊密相聯。作為物質存在形式的空間和時間，在本質上是統一的，隨著物質的運動而變化。
狹義相對論的最重要的結論之一，是關於質量和能量的關係(E=MC2)。它告訴我們，物質的質量是不固定的，運動的速度增加，質量也隨著增加;一定質量的轉化必定伴隨著一定能量的轉化，反之亦然。這個著名的公式成為原子彈、氫彈以及各種原子能應用的理論基礎，由此而打開了原子時代的大門。狹義相對論的問世，震動了物理學界，也使這位年輕學者的名字，馬上傳遍了整個歐洲，給他帶來了極高的聲譽。德國著名的理論物理學家普朗克，向布拉格大學推薦愛因斯坦時說：「要對愛因斯坦理論作出中肯評價的話，那麼可以把他比作20世紀的哥白尼。這也正是我所期望的評價。」
1911年，年僅32歲的愛因斯坦，被布拉格大學聘為教授，1913年，他重新回到德國，任柏林大學教授，併當選為普魯士皇家科學院正式院士，不到4個月，第一次世界大戰爆發了。愛因斯坦一向憎惡戰爭，主張民族和睦，公開發表反戰宣言，同一位哲學家共同起草了《告歐洲人民書》，呼籲歐洲科學家應竭盡全力，儘快結束這場人類大屠殺。然而，卻沒有什麼著名人士響應。在這段歲月里，愛因斯坦滿腹愁腸，閉門不出，深入自己的科學研究。在研究中，他發現狹義相對論的理論體系還不完善，它只解釋了等速直線運動，而不能解釋加速運動和萬有引力的問題。
三、廣義相對論
愛因斯坦在1905年發表了一篇探討光線在狹義相對論中，重力和加速度對其影響的論文，廣義相對論的雛型就此開始形成。1912年，愛因斯坦發表了另外一篇論文，探討如何將重力場用幾何的語言來描述。至此，廣義相對論的運動學出現了。到了1915年， 愛因斯坦引力場方程發表了出來，整個廣義相對論的動力學才終於完成。
1915年後，廣義相對論的發展多集中在解開場方程式上，解答的物理解釋以及尋求可能的實驗與觀測也佔了很大的一部份。但因為場方程式是一個非線性偏微分方程，很難得出解來，所以在電腦開始應用在科學上之前，也只有少數的解被解出來而已。其中最著名的有三個解：史瓦西解、 雷斯勒——諾斯特朗姆解、克爾解。
廣義相對論講了什麼？
廣義相對論是研究物質引力相互作用的理論，其最本核心的內容就是引力場方程，廣義相對論的思想就是認為引力只是時空的幾何彎曲的表象而已，引力並不像其它三種基本力一樣，它並不是力。這種描述可以說是顛覆性的，而時空彎曲更是徹底的和牛頓平坦時空不同，完全是人們之前想到沒想過的。廣義相對論在當時可謂驚世駭俗，好在隨著水星進動的測量，證明了相對論的預言之一：大質量天體會扭曲時空導致光線彎曲。而前幾年的引力波發現，更加肯定了廣義相對論的正確性。但其實，這些預言都已經包含在相對論引力場方程之中了。
三大驗證
在廣義相對論的實驗驗證上，有著名的三大驗證。在水星近日點的進動中，每百年43秒的剩餘進動長期無法得到解釋，被廣義相對論完滿地解釋清楚了。光線在引力場中的彎曲，廣義相對論計算的結果比牛頓理論正好大了1倍，愛丁頓和戴森的觀測隊利用1919年5月29日的日全食進行觀測的結果，證實了廣義相對論是正確的。再就是引力紅移，按照廣義相對論，在引力場中的時鐘要變慢，因此從恆星表面射到地球上來的光線，其光譜線會發生紅移，這也在很高精度上得到了證實。從此，廣義相對論理論的正確性被得到了廣泛地承認。
另外，宇宙的膨脹也創造出了廣義相對論的另一場高潮。從1922年開始，研究者們就發現場方程式所得出的解答會是一個膨脹中的宇宙，而愛因斯坦在那時自然也不相信宇宙會來漲縮，所以他便在場方程式中加入了一個宇宙常數來使場方程式可以解出一個穩定宇宙的解出來。但是這個解有兩個問題。在理論上，一個穩定宇宙的解在數學上不是穩定。另外在觀測上，1929年，哈勃發現了宇宙其實是在膨脹的，這個實驗結果使得愛因斯坦放棄了宇宙常數，並宣稱這是我一生最大的錯誤。
廣義相對論的7個內容
1.光線偏折
幾乎所有人在中學裡都學過光是直線傳播，但愛因斯坦告訴你這是不對的。光只不過是沿著時空傳播，然而只要有質量，就會有時空彎曲，光線就不是直的而是彎的。質量越大，彎曲越大，光線的偏轉角度越大。太陽附近存在時空彎曲，背景恆星的光傳遞到地球的途中如果途徑太陽附近就會發生偏轉。愛因斯坦預測光線偏轉角度是1.75″，而牛頓萬有引力計算的偏轉角度為0.87″。要拍攝到太陽附近的恆星，必須等待日全食的時候才可以。機會終於來了，1919年5月29日有一次條件極好的日全食，英國愛丁頓領導的考察隊分赴非洲幾內亞灣的普林西比和南美洲巴西的索布拉進行觀測，結果兩個地方三套設備觀測到的結果分別是1.61″±0.30″、1.98″±0.12″和1.55″±0.34″，與廣義相對論的預測完全吻合，愛因斯坦因此名聲大噪。這是對廣義相對論的最早證實。70多年以後「哈勃」望遠鏡升空，拍攝到許多被稱為「引力透鏡」的現象，現如今也幾乎是路人皆知了。
2.水星近日點進動
一直以來，人們觀察到水星的軌道總是在發生漂移，其近日點在沿著軌道發生5600.73″/百年是「進動」現象。而根據牛頓萬有引力計算，這個值為5557.62 ″/百年，相差43.11″/百年。雖然這是一個極小的誤差，但是天文是嚴謹的，明明確實存在的誤差不能視而不見。很多科學家紛紛猜測在水星軌道內側更靠近太陽的地方還存在著一顆行星影響著水星軌道，甚至已經有人把它起名為「火神星」（N年之後居然還有中國學者管這個不存在的行星叫「祝融星」）。不過始終未能找到這顆行星。1916年，愛因斯坦在論文中宣稱用廣義相對論計算得到這個偏差為42.98″/百年，幾乎完美地解釋了水星近日點進動現象。愛因斯坦本人說，當他計算出這個結果時，簡直興奮地睡不著覺，這是他本人最為得意的成果。
3.引力鐘慢
同樣還是時空彎曲的結果。前文講到的都是空間上的影響，不論光還是水星都是在太陽附近彎曲的時空中運動。既然被彎曲的是時空，自然要講時間的變化。廣義相對論中具有基石意義的等效原理認為：無限小的體積中均勻的引力場等同於加速運動的參照系。而在引力場中引力勢較低的位置，也就是過去我們所學的離天體中心越近，引力越大，那麼時間進程越慢，物體的尺度也越小。講通俗一點，拿地球舉例，站在地面上的人相比於國際空間站的宇航員感受到的引力更大，引力勢更低（這是比較容易理解的），那麼地面上的人所經歷的時間相比於宇航員走地更慢，長此以往將比他們更年輕！這項驗證實驗很早就做過。1971年做過一次非常精確的測量，哈菲爾（J．C．Ha1ele）和基丁（R．E．Keating）把4台銫原子鐘分別放在民航客機上，在1萬米高空沿赤道環行一周。一架飛機自西向東飛，一架飛機自東向西飛，然後與地面事先校準過的原子鐘做比較。同時考慮狹義相對論效應和廣義相對論效應，東向西的理論值是飛機上的鐘比地面快275±21納秒（10-9s），實驗測量結果為快273±7納秒，西向東的理論值是飛機上的鐘比地面慢40±23納秒，實驗測量結果為慢59±10納秒。其中廣義相對論效應（即引力效應）理論為東向西快179±18納秒，西向東快144±14納秒，都是飛行時鐘快於地面時鐘；但需要注意的是，由於飛機向東航行是與地球自轉方向相同，所以相對地面靜止的鐘速度更快，導致狹義相對論效應（即運動學效應）更為顯著，才使得總效應為飛行時鐘慢於地面時鐘。
此外，1964年夏皮羅提出一項驗證實驗，利用雷達發射一束電磁波脈衝，經其他行星反射回地球再被接收。當來回的路徑遠離太陽，太陽的影響可忽略不計；當來迴路徑經過太陽近旁，太陽引力場造成傳播時間加長，此稱為雷達回波延遲或叫「夏皮羅時延效應」。天文學家後來通過金星做了雷達反射完全符合相對論的描述。2003年天文學家利用卡西尼號土星探測器，重複了這項實驗，測量精度在0.002%範圍內觀測與理論一致，這是迄今為止精度最高的廣義相對論實驗驗證。
4.引力紅移
從大質量天體發出的光（電磁輻射），由於處於強引力場中，其光振動周期要比同一種元素在地球上發出光的振動周期長，由此引起光譜線向紅光波段偏移的現象。只有在引力場特彆強的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測出來。二十世紀六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德在哈佛大學的傑弗遜物理實驗室（Jefferson Physical Laboratory）採用穆斯堡爾效應的實驗方法，定量地驗證了引力紅移。他們在距離地面22.6米的高度，放置了一個伽馬射線輻射源，並在地面設置了探測器。他們將輻射源上下輕輕地晃動，同時記錄探測器測得的信號的強度，通過這種辦法測量由引力勢的微小差別所造成的譜線頻率的移動。他們的實驗方法十分巧妙，用狹義相對論和等效原理就能解釋。結果表明實驗值與理論值完全符合。2010年來自美國和德國的三位物理學家馬勒（H．Muller）、彼得斯（A．Peters）和朱棣文通過物質波干涉實驗，將引力紅移效應的實驗精度提高了一萬倍，從而更準確地驗證了愛因斯坦廣義相對論。
5.黑洞
1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西計算得到愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，質量大到一定程度，引力將把大量物質集中於空間一點，併產生奇異的現象。這種天體被美國物理學家約翰·阿奇巴德·惠勒命名為「黑洞」。史瓦西的解表明黑洞的質量極其巨大，而體積卻十分微小，密度異乎尋常的大，它所產生的引力場極為強勁，以至於任何物質和輻射在進入到黑洞的一個事件視界（臨界點）內，便再無法逃脫，甚至傳播速度最快的光（電磁波）也無法逃逸。如果太陽要變成黑洞就要求其所有質量必須匯聚到半徑僅3千米的空間內，而地球質量的黑洞半徑只有區區0.89厘米。1964年，美籍天文學家裡卡多·吉雅科尼（Riccardo Giacconi）意外地發現了天空中出現神秘的X射線源，方向位於銀河系的中心附近。1971年美國「自由號」人造衛星發現該X射電源的位置是一顆超巨星，本身並不能發射所觀測到的X射線，它事實上被一個看不見的約10倍太陽質量的物體牽引著，這被認為是人類發現的第一個黑洞。雖然黑洞不可見，但是它對周圍天體運動的影響是顯著的。現在，黑洞已經被人們普遍接受了，天文學家甚至可以用光學望遠鏡直接看到一些黑洞吸積盤的光。
6.引力拖曳效應
一個旋轉的物體特別是大質量物體還會使空間產生另外的拖曳扭曲，就好像在水裡轉動一個球，順著球旋轉的方向會形成小小的波紋和漩渦。地球的這一效應，將使在空間運行的陀螺儀的自轉軸發生41/1000弧秒的偏轉，這個角度大概相當於從華盛頓觀看一個放在洛杉磯的硬幣產生的張角。2004年4月20日，美國航天局「引力探測-B」（GP-B）衛星從范登堡空軍基地升空，以前所未有的精度觀測「測地線效應」，從而尋找「慣性系拖曳」效應的跡象。衛星在軌飛行了17個月，隨後研究人員對測量數據進行了5年的分析。2011年5月4日美國航天局發布消息稱，GP-B衛星已經證實了廣義相對論的這項預測。但是該項目的經濟性和必要性受到很多批評的聲音。
7.引力波
愛因斯坦在發表了廣義相對論後，又進一步闡述引力場的概念。牛頓的萬有引力定律顯示出引力是「超距」的，比如太陽如果突然消失，那麼地球就會瞬間脫離自己的軌道，這似乎是正確的。但愛因斯坦提出「引力」需要在時空中傳遞，需要時間，質量的變化引起引力場變化，引力會以光速向外傳遞，就像水波一樣，這就是「引力波」的由來。不過愛因斯坦知道引力波很微弱，像太陽這樣的恆星是不能引起劇烈擾動的，連自己都認為可能永遠都探測不到。1974年，美國物理學家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠鏡，發現了由兩顆中子星組成的雙星系統PSR1913+16，並利用其中一顆脈衝星，精準地測出兩個緻密星體繞質心公轉的半長徑以每年3.5米的速率減小，3億年後將合併，系統總能量周期每年減少76.5微秒，減少的部分應當就是釋放出的引力波。泰勒和赫爾斯因為首次間接探測引力波而榮獲1993年諾貝爾物理學獎。如今我們已經直接「聽」到了引力波悅耳動聽的聲音，這預示著現代物理學嶄新的篇章就此開啟！
四、愛因斯坦的其他貢獻
1.光量子理論——愛因斯坦的光量子理論提出光是由一種叫做光子的光子組成的，它具有波像性質。
在這個理論中，他還解釋了一些金屬的電子發射，這被稱為「光電效應」。
2. E=mc2，質能方程，他演示了核能量與能量之間的聯繫。
依據：F＝ma 兩邊同乘 距離S得 E＝FS＝maS=mv2.在相對論中單獨一個物體的質量卻沒有速度的概念,因為速度是距離變化率,一個物體沒有距離的問題,不存在距離變化.那麼這裡的v是什麼呢?顯然是質量轉換成能量的一個係數,而且必須是相對任何物體都不變的數值,並且單位是 米/秒.那只有光速是不變的恆定值.所以預言：E＝mc2。愛因斯坦的質能方程無疑是個完美的作品，它指出了質量和能量之間的對應關係，讓我們明白小小的原子核為什麼擁有如此巨大的能量。
3.布朗運動-這可能是迄今為止愛因斯坦最好的發現，在那裡他觀察到的被懸掛的鋸齒狀運動粒子，幫助證明了原子和分子的存在。我們都知道這一發現對今天幾乎所有的科學分支都有多麼重要。
愛因斯坦的後半生一直從事尋找大統一理論的工作,即被稱為二十世紀二十個科學之迷的統一場論，是企圖把自然界中的電磁、引力、弱、強等各種互相作用力統一起來的理論，不過這項工作沒有獲得成功。在完成一系列重要理論之後,特別是質能方程完成後,愛因斯坦一直在試圖將強和弱相互作用里統一為一種力的概念。
愛因斯坦晚年確實研究過宗教，牛頓在晚年也在致力於證明上帝的存在，雖然青年時期的愛因斯坦在民眾中是權威的化身，但他晚年曾經妄想把神學和自然科學結合起來，說到底還是由於他對自然科學沒有抱以完全的信任，因為愛因斯坦出生的環境，正好是宗教改革剛剛過去的那段時間，在中下層民眾心中，傳統宗教封建神學仍然佔有相當的社會基礎。
他作為一代科學巨匠，無論是光電效應還是質能守恆以及著名的相對論，這些都給後世的物理學奠定了堅實的基礎。他不僅是物理學的奠基人更是科學界的大亨。曾經有人說過，如果沒有愛因斯坦的出現咱們的天下可能會倒退上百年，然而他也說過咱們所處的這個天下都是被支配好的，這算是他在物理學範疇外的新理論嗎？還是說人類文化的盡頭是神學呢？
在科學研討的過程中是嚴謹的，然則總會有讓人難以解釋清楚的地方存在。就如物理學家牛頓所說的宇宙天體之間的運轉是多麼的精密，就像是被人支配好的同樣，而愛因斯坦實在也想表白這個道理。
隨著人類的進步，那些原理搞不清楚的問題，遲早都會通過科學來證實。就我們目前世界文明程度來講，我們是更應該相信科學，因為他為人類帶來了巨大的福利，而且是我們能看到！
