爱因斯坦和相对论
■狭义相对论的创立
早在16岁的时候，爱因斯坦就从书本上了解到光是一种传播速度非常快的电磁波。 他知道，如果一个人以光速移动，他会看到一个什么样的世界。 场景又如何呢？ 他将看不到前进的光，而只能看到电磁场在空间中振荡但停滞。 这可能吗？
与此相关，他非常想探索与光波相关的所谓以太问题。 以太一词起源于希腊语，用来表示构成天体的基本元素。 笛卡尔在 17 世纪首次将其作为传输光的媒介引入科学。 后来惠更斯进一步发展了以太理论，认为携带光波的介质是以太，它应该充满包括真空在内的所有空间，并且能够渗透到普通物质中。 与惠更斯的观点不同，牛顿提出了光的粒子论。 牛顿认为，发光体发射出直线运动的粒子流，粒子流撞击视网膜引起视觉。 18世纪，牛顿粒子论盛行。 然而到了19世纪，波动论取得了绝对的统治地位，以太理论也得到了长足的发展。 当时的观点是，波的传播取决于介质，因为光可以在真空中传播，而传播光波的介质就是充满整个空间的以太，也称为光以太。 与此同时，电磁学得到了蓬勃发展。 经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象动力学理论——电动力学，在理论和实践上统一了光和电磁现象。 人们认为光是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。 以太不仅是光波的载体，也是电磁场的载体。 直到19世纪末，人们试图寻找以太，但从未在实验上被发现。
然而，电动力学遇到了一个重大问题，就是与牛顿力学所遵循的相对论原理不一致。 相对论原理的思想早在伽利略和牛顿时代就已存在。 电磁学的发展最初被纳入牛顿力学的框架中，但在解释运动物体的电磁过程时遇到了困难。 根据麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，即光速，是一个常数。 但根据牛顿力学的速度相加原理，光在不同惯性系中的速度是不同的。 这就提出了一个问题：相对论原理适用于力学适用于电磁学吗？ 例如，有两辆车，一辆接近你，一辆驶离。 您看到前面的车灯靠近您，而后面的车灯逐渐远离。 根据麦克斯韦理论，两种光的速度是相同的，汽车的速度对此不起作用。 但根据伽利略的理论，这两个测量是不同的。 朝你驶来的汽车会对发出的光进行加速，即前面汽车的光速=光速+汽车的速度； 而开走的汽车的光速则较慢，因为后面汽车的光速=光速-汽车的速度。 麦克斯韦和伽利略关于速度的说法显然是相互矛盾的。 我们如何解决这个分歧？
理论物理学在19世纪达到了顶峰，但也蕴藏着巨大的危机。 海王星的发现显示了牛顿力学极其强大的理论力量。 电磁学与力学的统一，使物理学呈现出形式上的完整性，被赞誉为“庄严雄伟的建筑体系和感人美丽的殿堂”。 在人们心目中，经典物理学已经达到了近乎完美的水平。 德国著名物理学家普朗克年轻时曾对老师说，自己要致力于理论物理学。 老师劝告他：“年轻人，物理学是一门已经完成的科学，不会变得更加重要。” 把你的一生奉献给这个主题真是太遗憾了。”
爱因斯坦似乎是要建造一座新物理学大厦的人。 在伯尔尼专利局任职期间，爱因斯坦广泛关注物理学的前沿发展，对许多问题进行了深入思考，形成了自己独特的见解。 在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦的电磁理论，特别是赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。 爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题让他感到不安，那就是绝对参考系以太的存在。 他读了很多著作，发现所有证明以太存在的尝试都失败了。 经过研究，爱因斯坦发现，以太在洛伦兹理论中除了充当绝对参考系和电磁场负载之外，没有任何实际意义。 于是他想：有必要建立一个绝对的参照系吗？ 电磁场必须有负载吗？
爱因斯坦喜欢阅读哲学著作，从哲学中吸收思想滋养。 他相信世界的统一性和逻辑的一致性。 相对论原理在力学中已得到广泛证明，但在电动力学中却无法成立。 爱因斯坦对两种物理学理论体系之间的逻辑不一致提出了质疑。 他认为相对论原理应该是普遍正确的，因此电磁理论对于每个惯性系统应该具有相同的形式，但这里出现了光速的问题。 光速是恒定量还是可变量爱因斯坦物理学家，成为相对论原理是否普遍有效的首要问题。 当时的物理学家普遍相信以太，即相信绝对参考系的存在。 这是受到牛顿绝对空间概念的影响。 19世纪末，马赫在《发展力学》一书中批评了牛顿的绝对时空观，给爱因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天，爱因斯坦与朋友贝索讨论了这个探索了十年的问题。 贝索基于马赫主义阐述了自己的观点，两人讨论了很长时间。 突然，爱因斯坦意识到了一件事。 回到家后，他想了又想，终于找到了问题所在。 第二天，他再次来到贝索家说：谢谢你，我的问题解决了。 事实证明，爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间和光信号的速度有着密不可分的联系。 他找到了锁的钥匙，经过五周的努力，爱因斯坦向人们展示了狭义相对论。
1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论运动体的电动力学》，并于同年9月在该杂志上发表。 本文是第一篇关于狭义相对论的文章。 它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。 狭义相对论基于两个原理：相对论原理和光速恒定原理。 爱因斯坦解决问题的出发点是他对相对论原理的坚定信念。 伽利略是第一个阐明相对论思想的人，但他并没有给出时间和空间的明确定义。 牛顿在建立力学体系时也谈到了相对论的思想，但他也定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动。 他在这个问题上的态度是矛盾的。 爱因斯坦极大地发展了相对论原理。 在他看来，根本不存在绝对静止的空间，也不存在绝对相同的时间。 所有的时间和空间都与运动的物体有关。 对于任何参考系和坐标系来说，都只有属于这个参考系和坐标系的空间和时间。 对于所有惯性系来说，该参考系的空间和时间所表达的物理定律都是相同的形式。 这就是相对性原理，严格来说，是狭义的相对性原理。 在这篇文章中，爱因斯坦并没有过多讨论光速恒定这一基本原理的依据。 他提出光速恒定是一个大胆的假设，这是基于电磁理论和相对论原理的要求。 这篇文章是爱因斯坦多年思考以太和电动力学问题的成果。 他以同时性相对论为突破口，建立了新的时空理论，并在新时空理论的基础上，给出了运动物体电动力学的完整形式，以太不再需要，以太漂移是不存在的。
同时性的相对性是什么？ 我们如何知道不同地点的两个事件同时发生？ 一般来说，我们通过信号来确认。 为了知道不同地方事件的同时性，我们需要知道信号传输的速度，但为什么没有超过这个速度呢？ 我们必须测量两地之间的空间距离以及信号传输所需的时间。 测量空间距离非常简单。 问题在于测量时间。 我们必须假设每个地方都有一个被调整过的时钟。 从两个时钟的读数，可以得知信号传播所需的时间。 但我们怎么知道不同地方的时钟是正确的呢？ 答案是还需要信号。 该信号能否正确设置时钟？ 如果我们按照之前的思路，就需要一个新的信号。 这样就无法无限地确认不同地点的同时性。 但有一点是明确的，同时性必须与信号有关，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。
光信号可能是最适合时钟的信号，但光速并不是无限的，这得出了一个新颖的结论。 对于静止观察者来说同时发生的两件事对于移动观察者来说是不同时的。 我们想象一列火车在高速行驶，它的速度接近光速。 当火车经过站台时，A站在站台上。 A的眼前闪过两道闪电，一道在列车前端，一道在后端，在列车两端和站台相应部位留下了痕迹。 通过测量，A与火车两端的距离相等，结论是A同时看到了两道闪电。 因此，对于A来说英语作文，如果接收到的两个光信号在相同的时间间隔内行进相同的距离爱因斯坦物理学家，同时到达他的位置，那么这两个事件一定是同时发生的，它们是同时发生的。 但对于处于火车中央的B来说，情况就不同了。 由于B随着高铁行驶，他会首先拦截向他传播的前端信号，然后接收后端的光信号。 对于 B 来说，这两个事件不是同时发生的。 也就是说，同时性不是绝对的，而是取决于观察者的运动状态。 这个结论否定了牛顿力学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都是恒定的，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，运动物体的时间会膨胀。 然而，由于日常生活中遇到的问题，运动速度非常低（与光速相比），看不到相对论效应。
爱因斯坦在空间和时间观念发生根本性改变的基础上创立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，并随着速度接近光速而接近无穷大。 他还给出了著名的质能关系：E=mc2。 质能关系对后来原子能的发展起到了指导作用。