爱因斯坦
相对论
相对论是关于物质运动与时间空间关系的理论．它是现代物理学的理论基础之一．相对论是本世纪初由爱因斯坦等在总结实验事实（如迈克耳孙—莫雷实验）的基础上所建立和发展．在这以前，人们根据经典时空观（集中表现为伽利略变换）解释光的传播等问题时，导致一系列尖锐的矛盾．相对论针对这些问题，建立了物理学中新的时空现和高速物体的运动规律，对以后物理学的发展有重大作用．相对论分为狭义相对论和广义相对论两大部分．1905年建立的狭义相对论的基本原理：
⑴在任何惯性参考系中，自然规律都相同，称为相对性原理．
⑵在任何惯性系中，真空光速 都相同，即光速不变原理．
由此得出时间和空间各量从一个惯性系变换到另一惯性系时，应该满足洛伦兹变换，而不是满足伽利略变换．并由此推出许多重要结论，例如：
①两事件发生的先后或是否“同时”，在不同参照系看来是不同的（但因果律仍然成立）．
②量度物体的长度时，将测到运动物体在其运动方向上的长度要比静止时缩短．与此相似，量度时间进程时，将看到运动的时钟要比静止的时钟进行得慢．
③物体质量 随速度 的增加而增大，其关系为 为静止时的质量，称为静止质量．
④任何物体的速度不能超过光速 ．
⑤物体的质量 与能量 之间满足质能关系式 ．
以上结论与目前的实验事实符合，但只有在高速运动时，效应才显著．在通常的情况下，相对论效应极其微小，因此经典力学可认为是相对论力学在低速情况下的近似．在1916年又建立了广义相对论，其基本原理：
⑴广义相对论原理，即自然定律在任何参考系中都可以表示为相同数学形式．
⑵等价原理，即在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效．
按照上述的原理，万有引力的产生是由于物质的存在和一定的分布状况使时间空间性质变得不均匀（所谓时空弯曲）；并由此建立了引力场理论；而狭义相对论则是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况．从广义相对论可以导出一些重要结论，如水星近日点的进动规律；光线在引力场中发生弯曲；较强的引力场中时钟较慢（或引力场中的光谱线向红端移动）等．这些结论和后来的观测结果基本上相符合．近年来，通过测量雷达波在太阳引力场中往返传播在时间上的延迟，以更高的精密度证实了广义相对论的结论．相对论，具有重要的历史意义，但许多问题仍有待研究．
验证广义相对论的实验
1、爱因斯坦指出三大验证实验
1905年，当爱因斯坦发表著名的历史文献《论动体的电动力学》，建立狭义相对论的时候，他的理论并不被人们接受，遭到很多人（包括若干有声望的科学家）的怀疑甚至反对，因为狭义相对论崭新的时空观与经典的物理观念大相径庭、不可思议，因为缺乏实验的验证，也因为当时的爱因斯坦只是一个20多岁的专利局办事员．
爱因斯坦没有因此却步，他继续考虑将相对论推广到非惯性系．从1907年到1916年，爱因斯坦连续发表了多篇文章，不断完善广义相对论的理论，并引入黎曼的弯曲空间．在1916年发表的《广义相对论的基础》中爱因斯坦指出：在太阳系中，牛顿引力理论可以看作相对论引力理论的第一级近似．爱因斯坦同时指出，通过测量行星轨道近日点的进动、引力场中光线的弯曲、星系光谱线的引力红移等三项实验可以验证广义相对论．
2、行星轨道近日点的进动
根据牛顿运动定律和平方反比万有引力定律，太阳系中行星的运动轨道应该为一个严格的椭圆，是一条闭合的曲线，而太阳位于椭圆的一个焦点上．然而从1859年起，天文学家就发现，行星的运动轨迹并不是严格闭合的椭圆．行星每绕太阳公转一圈，其椭圆轨道的长轴就略有转动，通常称为行星近日（或远日）点的进动，如图1所示．特别是离太阳最近的水星，进动观察值为每一百年
．一般认为水星除了主要受到太阳的引力外，还受到太阳系中其他各个行星相对而言小得多的引力．而且人们是从地球也在自转和公转的非理想惯性系中观察，所以有缓慢的进动．用牛顿引力理论计算，考虑到上述影响后的进动值仍比实际观测值小
．虽然数值很小，却已超出了观测精度允许的误差范围．而且太阳系的其他行星也存在着类似的数值很小的近地点多余进动．
为了解释这种差异，曾经成功地预言海王星存在的天文学家勒维耶（Le
Verrier），预言在太阳附近还有一颗未被发现的小行星，即在水星轨道之内还有一颗“水内行星”．这颗水内行星对水星的引力作用导致多余进动值的出现．但是对预言的天空区域进行了多年的仔细搜索，始终没能找到这颗假想的水内行星．水内行星成了牛顿引力理论多年未解决的问题．而根据广义相对论，天体的质量越大，其附近的时空就越弯曲．行星在弯曲的时空中沿短程线运动．水星是最靠近太阳的行星，这里的引力场比太阳系中其他行星所处位置的引力场强得多，时空也就弯曲得厉害．另外水星运动轨道的偏心率较大，所以水星近日点多余进动值比其他行星值要大．爱因斯坦在1915年依广义相对论计算出的水星近日点多余进动值与实际观测值相当吻合．因此水星轨道近日点的进动被看作建立广义相对论初期的第一个重大实验验证．后来测到的地球、金星等行星的近日点进动值也与广义相对论的计算值吻合得相当好．
3、光线在引力场中的偏转
根据广义相对论，光线在引力场中也会发生弯曲偏转．不过因为这种偏转很小，在地球上不太容易观察到．爱因斯坦在1911年指出，如利用日全食的特殊机会，测量日全食时看起来位于太阳附近星球的位置，再与平时这些星球的位置相比较，应观察到这种偏转．1916年，他又计算出光线经由太阳附近时的偏转角为
．1919年日全食在南半球发生，英国派出了由天文学家爱丁顿（A．S．Eddington）领导的两支远征观测队分别在西非和巴西同时进行了测量．测量得到的偏转角在
之间，与爱因斯坦的预言一致．实验结果的公布轰动了世界，被认为是对广义相对论的第二个重大实验验证．
在以后的日全食过程中进行的类似观测也都支持广义相对论的结论．日全食的机会毕竟比较少，科学家们希望在其他时间也有可能进行这样的实验．20世纪60年代以后发展起来的射电天文学，使人们可以利用射电天文望远镜在平时对被太阳遮掩的射电源进行测量，而且分辨率有较大提高．1975年观测到无线电波经由太阳表面附近时的偏转角是
，与广义相对论理论预言值 的不确定度已小于百分之一．
4、光谱线的引力红移
广义相对论认为，光线在引力场中传播时，它的频率会发生变化．当光线从引力场强的地方则如太阳附近）传播到引力场弱的地方（例如地球附近）时，其频率会略有降低，波长稍增，即发生引力红移．当光线反向传播时，频率增加，波长变短，即发生引力蓝移．爱因斯坦在1911年计算出，从太阳射到地球的光线的相对引力红移变化是
．这个数值很小，测量起来相当困难．
各类星体大小对比
白矮星的质量大，半径小，其发出光的引力红移效应较显著．1925年天文学家亚当斯（W．S．Adams）观测了一颗白矮星天狼A，测到的引力红移与广义相对论的理论基本相符．20世纪60~70年代测得太阳光谱线的引力红移值与理论值的不确定度已小于5%～7%．
在地面附近高度相差几十米的两点间传播的光线也应产生引力红移．只是这种引力红移的变化更小，只有
的数量级，一般实验手段难以观测到．1958年穆斯堡尔效应的发现提供了精确完成地面上引力红移实验的可能性．1959年庞德（R．V．Pound）和雷布卡（C．Rebka）把钴57发射的
射线从22.6m高的塔顶射向地面的接收器，运用穆斯堡尔效应测量塔底处的频率改变量．这实际是一个引力蓝移实验．他们的实验相当成功，实际测量值与理论值的不确定度在5％之内．
5、第四个重大验证实验——雷达回波延迟
在上面讨论的三大验证实验之外，夏皮罗（I．Shapiro）于1964年提出用雷达回波延迟实验检验广义相对论的建议．广义相对论认为，物质的存在和运动造成周围时空的弯曲，光线在大质量物体附近的弯曲可以看作一种折射，相当于光速的变慢．从地球上向某一行星发射一束雷达波，雷达波到达行星表面后被反射回地球，就可以测出来回一次所需的时间．将雷达波经由太阳附近传播的来回时间与远离太阳附近传播的来回时间相比较，就可以得到雷达回波延迟的时间．
夏皮罗领导的小组先后对水星、金星、火星进行了雷达回波延迟实验，后期的实验数据与广义相对论理论值的不确定度已在1％左右．20世纪80年代初，利用在火星表面登陆的“海盗号”探测器反射雷达波，已使雷达回波延迟实验测量值的不确定度减小到0.1％，有力地支持了广义相对论理论．这被认为是广义相对论的第四个重大验证实验．
6、引进技术力波存在的间接证明——脉冲双星观察
广义相对论认为，物质以非对称的方式加速运动会产生引力波．爱因斯坦已证明引力波和电磁波一样以光速c传播．牛顿引力理论中没有引力波．如果能观测到引力波的存在，将是广义相对论的重大胜利．但是由于引力作用比电磁作用弱很多数量级，用现有的材料和实验手段，在地球上尚无法人工产生可以检测到的引力波．人们不得不把希望寄托到质量巨大的天体物理过程产生的引力波的探测上去．
1967年天文学家贝尔（S．J．Bell）和霍维什（A．Hewish）用射电天文望远镜发现脉冲星．后来人们证明脉冲星就是中子星．射电天文望远镜接受到的脉冲信号是中子星旋转时磁极发出的电磁波．1974年霍尔斯（R．A．Hulse）和泰勒（J．H．Taylor）发现一对脉冲双星（PSR1913＋16）．广义相对论认为，脉冲双星旋转时辐射引力波．脉冲双星（PSR1913＋16）辐射引力波的功率并不小，有
W只是这对双星距地球太遥远，到达地面的引力波能流密度只有
，现在尚无法检测出如此弱的引力波．不过根据广义相对论，由于脉冲双星辐射引力波时必然伴随着能量损失，即会使双星系统的能量减少，周期变慢，称为引力辐射阻尼．经过近20年的观测，发现这对脉冲双星的运动周期在稳定地减少，其周期减缓的变化率与广义相对论的理论值相当符合．所以脉冲双星的观察被认为是引力波存在的间接证明．霍尔斯和泰勒因发现这对脉冲双星而荣获1993年诺贝尔物理学奖．
引力波的直接探测，是实验物理的重大课题之一，将进一步检验广义相对论．西方发达国家均投入大量人力物力进行研究，目前尚未取得令人满意的数据．
爱因斯坦与相对论
爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。
什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢？一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度，但如何没出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间，空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。
光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速不是无限大，这样就产生一个新奇的结论，对于静止的观察者同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。
相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。
爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。
爱因斯坦的广义相对论认为，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱向红端移动，20年代，天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转，。最靠近地球的大引力场是太阳引力场，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告，确认广义相对论的结论是正确的。会上，著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”，“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。爱因斯坦成了新闻人物，他在1916年写了一本通俗介绍相对认的书《狭义相对论与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传。
狭义相对论和广义相对论建立以来，已经过去了很长时间，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思相的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。
狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。
广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。到现在，相对论宇宙学进一步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家进行研究。
一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”，“按照我的看法，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中。”
