爱因斯坦发明了什么？爱因斯坦相对论
山南慕北 2016-05-13
爱因斯坦发明了什么
他一生科研成果卓著，其中最卓著的是他用实验证实了原子的存在，创立了相对论，并发展了普朗克提出的量子假说。德国著名物理学家爱因斯坦，一生为现代物理学发展做出了卓绝贡献。其最卓绝的成就是他突破牛顿经典物理学的框架，创立了适用于微观高速运动领域的相对论。
1916年，爱因斯坦又经过10年探索，进一步完成了广义相对论创立工作。广义相对论是一种没有引力的新引力理论，是适用于所有参照系的物理定律。它与狭义相对论不同，狭义相对论仅仅适用于不存在引力的物理过程。研究的是直线、匀速相对运动的参照系；而广义相对论研究的是作任何运动的参照系，既适应直线、匀速运动的参照系，又适应加速运动和旋转运动的参照系，因而它是相对论大厦的第二层楼房。广义相对论进一步表明，时间和空间并不是孤立的，物质的分布和运动也反过来决定时间和空间的结构。它们之间也相互影响，是对立统一体。爱因斯坦的相对论，是近代科学技术在幻世纪取得的最重大成果，它导致了古老物理学的彻底革命，完成了物理学第三次理论大综合，进一步奠定了现代物理学发展的基石。
光电效应
赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位（即光子或光量子）所组成。
能量守恒
爱因斯坦认为，物质的质量是惯性的量度，能量是运动的量度；能量与质量并不是彼此孤立的，而是互相联系的，不可分割的。物体质量的改变，会使能量发生相应的改变；而物体能量的改变，也会使质量发生相应的改变。
在狭义相对论中，爱因斯坦提出了著名的质能公式：E=mc^2（这里的E代表能量，m代表多少质量，c代表光的速度，近似值为3×10^8m/s，这说明能量可以用减少质量的方法创造）。
爱因斯坦的质能关系公式，正确地解释了各种原子核反应：就拿氦4（He4）来说，它的原子核是由2个质子和2个中子组成的。照理，氦4原子核的质量就等于2个质子和2个中子质量之和。实际上，这样的算术并不成立，氦核的质量比2个质子、2个中子质量之和少了0.0302u（原子质量单位）！这是为什么呢？因为当2个氘[dao]核（每个氘核都含有1个质子、1个中子）聚合成1个氦4原子核时，释放出大量的原子能。生成1克氦4原子时，大约放出2.7×10^12焦耳的原子能。正因为这样，氦4原子核的质量减少了。
宇宙常数
爱因斯坦在提出相对论的时候，曾将宇宙常数（为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在，他在引力场方程中引进一个与度规张量成比例的项，用符号Λ表示。该比例常数很小，在银河系尺度范围可忽略不计。只在宇宙尺度下，Λ才可能有意义，所以叫作宇宙常数。即所谓的反引力的固定数值）代入他的方程。他认为，有一种反引力，能与引力平衡，促使宇宙有限而静态。当哈勃将膨胀宇宙的天文观测结果展示给爱因斯坦看时，爱因斯坦说：“这是我一生所犯下的最大错误。”
宇宙是膨胀着的。哈勃等认为，反引力是不存在的，由于星系间的引力，促使膨胀速度越来越慢。星系间有一种扭旋的力，促使宇宙不断膨胀，即暗能量。70亿年前，它们“战胜”了暗物质，成为宇宙的主宰。最新研究表明，按质量成份（只算实质量，不算虚物质）计算，暗物质和暗能量约占宇宙96%。看来，宇宙将不断加速膨胀，直至解体死亡。（也有其它说法，争议不休）。宇宙常数虽存在，但反引力的值远超过引力。林德饶有风趣的说：“我终于明白，为什么他（爱因斯坦）这么喜欢这个理论，多年后依然研究宇宙常数，宇宙常数依然是当今物理学最大的疑问之一。”
爱因斯坦相对论
相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。
狭义相对论和广义相对的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。它发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度。
狭义相对性原理是相对论的两个基本假定，在目前实验的观测下，物体的运动与相对论是吻合很好的，所以目前普遍认为相对论是正确的理论。
1915年，爱因斯坦把狭义相对论发展成广义相对论。广义相对论认为，没有物质的时空是平坦的，有物质存在的时空就变得弯曲了，两点之间的距离因物质的存在而被拉伸或挤压。一个直观的比喻是，水平抻开的一块布应该是平坦的，当你在布上放置一个铅球后，布面就变得弯曲了，这时再放置一个小玻璃球在布上，它就会滚向中央的铅球。同理，星球的质量使周围的时空弯曲，星球上的“引力”实际上是一个时空被弯曲的现象。根据广义相对论，1939年美国物理学家奥本海默证明，假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里，引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大，然后产生灾难性的坍塌，使那里的时空变得无限弯曲，这就是人们常听说的黑洞。
理论催生原子弹：作为相对论的一个推论，爱因斯坦提出了著名的质能关系式：能量等于质量乘以光速的平方。在这一理论的指导下，1939年，科学家找到了通过裂变把质量转化为能量，释放巨大原子能的中子链式反应，进而制造了原子弹，后来又利用核聚变发明了氢弹。而可以控制反应剧烈程度的核反应堆的和平利用，比如核电站、可控核反应堆供暖系统等极大地改善了人们的生活。
全球卫星定位系统也依赖于爱因斯坦的相对论。爱因斯坦指出：传统的时间概念只能在简单的条件下才能确定，当多种因素暂时联系起来的时候，传统的计时方法就失去作用。全球定位卫星发出的信号，由于处在不同的参照系上，时空无法和地面同步，只有根据卫星和地面的原子钟不断调整时间，才能保证定位系统的精确。
1976年，物理学家维索特和列文向太空发射了一枚载有时钟的火箭。他们观察到，这个时钟与放置在地球上的时钟相比，多获得了1/10微秒。他们认为，为了在未来时光中旅行，就需要利用那些强度远高于地球重力的引力场，比如中子星引力场。如果让飞船到达一颗中子星上，就会在未来的时光中迈出一大步。
