继伽利略、牛顿之后最伟大的物理学家：爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦（德语/英语：Albert Einstein，1879年3月14日—1955年4月18日），出生于德国巴登－符腾堡州乌尔姆市，毕业于苏黎世联邦理工学院，现代物理学家。 [1-4]

爱因斯坦出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭（父母均为犹太人）。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍 [1-4] 。1905年，爱因斯坦获苏黎世大学物理学博士学位，并提出光子假设、成功解释了光电效应（因此获得1921年诺贝尔物理奖） [1-4] ；同年创立狭义相对论，1915年创立广义相对论，1933年移居美国、在普林斯顿高等研究院任职，1940年加入美国国籍同时保留瑞士国籍 [1-4] 。1955年4月18日，爱因斯坦于美国新泽西州普林斯顿逝世，享年76岁 [1-4] 。1999年12月，爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为20世纪的“世纪伟人（Person of the Century）”。

爱因斯坦的理论为核能的开发奠定了理论基础，为帮助对抗纳粹，他曾在利奥·西拉德等人的协助下曾致信美国总统富兰克林·罗斯福、直接促成了曼哈顿计划的启动，而二战后他积极倡导和平、反对使用核武器，并签署了《罗素—爱因斯坦宣言》 [4-8] 。爱因斯坦开创了现代科学技术新纪元，被公认为是继伽利略、牛顿之后最伟大的物理学家。

因光电效应研究获诺贝尔奖

光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的理论解释则由爱因斯坦提出。爱因斯坦主张，光的能量并非均匀分布，而是负载于离散的光量子，而光子的能量和其所组成的光的频率有关。这个突破性的理论不但能够解释光电效应，也推动了量子力学的诞生。

1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。 [2] [16] [14]

光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变至电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。 [2]

光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。 [14]

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。 [2]

光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关，光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。 [14]

广义相对论

广义相对论（General Relativity） 是描述物质间引力相互作用的理论。其基础由爱因斯坦于1915年完成，1916年正式发表。这一理论首次把引力场解释成时空的弯曲。

在广义相对论中，引力被描述为时空的曲率，而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射能量直接联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程。

爱因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后，他终于认识到，狭义相对论容纳不了万有引力定律。于是，他将狭义相对性原理推广到广义相对性，又利用在局部惯性系中万有引力与惯性力等效的原理，建立了用弯曲时空的黎曼几何描述引力的广义相对论理论。

狭义相对论与广义相对论：狭义相对论的时空背景是平直的四维时空，而广义相对论则适用于任意伪黎曼空间，它的时空背景是弯曲的黎曼时空。

1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法：在一封闭箱中的观察者，不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中，还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中，这是解释等效原理最常用的说法，而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。 [14]

1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，在这四篇论文中，他提出了新的看法，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程。至此，广义相对论的基本问题都解决了，广义相对论诞生了。

1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。 [14]

相对论的意义：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想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。 [14]

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。 [14]

对于爱因斯坦引入的这些全新的概念，当时地球上大部分物理学家，其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹，都觉得难以接受。甚至有人说“当时全世界只有两个半人懂相对论”。旧的思想方法的障碍，使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉，就连瑞典皇家科学院，1922年把诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦时，也只是说“由于他对理论物理学的贡献，更由于他发现了光电效应的定律。”对爱因斯坦的诺贝尔物理学奖颁奖辞中竟然对于爱因斯坦的相对论只字未提。（注：相对论没有获诺贝尔奖，一个重要原因就是还缺乏大量事实验证。） [14]

参考资料

1.CHRONOLOGY OF EINSTEIN'S LIFE  ．阿尔伯特·爱因斯坦官方网站[引用日期2019-08-08]

2.Albert Einstein (Biographical)  ．诺贝尔奖官网[引用日期2019-08-08]

3.Albert Einstein  ．普林斯顿高等研究院官网[引用日期2019-08-08]

4.Albert Einstein: In Brief  ．普林斯顿高等研究院官网[引用日期2019-08-08]

5.Albert Einstein  ．原子能基金会官网[引用日期2019-08-08]

6.The Einstein-Szilard Letter - 1939  ．原子能基金会官网[引用日期2019-08-09]

7.The Russell–Einstein Manifesto  ．剑桥大学官网[引用日期2019-08-09]

8.The Russell-Einstein Manifesto  ．密歇根大学官网[引用日期2019-08-09]

9.How Einstein Changed the World and the Way We Look：cover

10.（美）阿尔伯特·爱因斯坦著. 相对论[M]. 2014：227

11.（美）爱因斯坦著；许良英，李宝恒，赵中立，范岱年编译. 爱因斯坦文集 第3卷[M]. 2017：396

12.（美）爱因斯坦著；许良英，李宝恒，赵中立，范岱年编译. 爱因斯坦文集 第3卷[M]. 2017：400

13.李士本 张力学 王晓锋编著. 自然科学史简明教程[M]. 2006；73

14.爱因斯坦的主要成就  ．上海市科学技术委员会．2005-06-20[引用日期2020-04-29]

15.李娟娟. 星际穿越 那些匪夷所思的宇宙常识 升级版[M]. 2017：6-8

16.叶永烈著. 化学的世界[M]. 2017：153-155

17.杨澍清主编. 物理学简史[M]. 2017：154-155

18.任爱玲著,科学与人文七题,山西科学技术出版社,2016.12,第52-54页

19.杨振宁谈爱因斯坦：“他厉害在哪里？”  ．网易科技．2015-10-04[引用日期2020-04-27]

20.黄楚安，吴瑕，李志敏著,科学逻辑思想撷粹,华中师范大学出版社,2014.04,第101页

21.爱因斯坦的世界观：一个真正的“独行者”  ．百度新闻．2019-01-23[引用日期2020-05-02]

22.爱因斯坦到底是个怎样的人？  ．人民网．2009-05-04[引用日期2020-05-02]

23.韩永泉主编；李宜初等编译,中外笑话幽默故事精讲,安徽文艺出版社,2005.01,第231-232页

24.许良英．《爱因斯坦文集》．北京：商务印书馆，1979：20-21

25.爱因斯坦奇迹年100周年  ．人民网[引用日期2020-04-29]

26.Short life history: Mileva Einstein-Maric  ．阿尔伯特·爱因斯坦官方网站[引用日期2019-08-08]

27.Short life history: Hans Albert Einstein  ．阿尔伯特·爱因斯坦官方网站[引用日期2019-08-08]

28.Short life history: Eduard Einstein  ．阿尔伯特·爱因斯坦官方网站[引用日期2019-08-08]

29.Evelyn Einstein, Famed Physicist’s Granddaughter  ．伯克利历史官网[引用日期2019-08-08]

30.Einstein Was A Formidable Genius, But What About His Kids?  ．《福布斯》官网[引用日期2019-08-08]

31.Short life history: Elsa Einstein  ．阿尔伯特·爱因斯坦官方网站[引用日期2019-08-08]

32.阿尔伯特·爱因斯坦：不允许自己沉默  ．人民网．2005-04-20[引用日期2020-05-07]

33.“爱因斯坦：宇宙大匠”图片展·先睹为快  ．人民网．2005-07-26[引用日期2020-05-07]

34.还原科学巨人的人生 "爱因斯坦展览"来京  ．人民网．2010-06-01[引用日期2020-05-07]