技术:爱因斯坦世纪：广义相对论背后的故事

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五月还没完没了就算还没完

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但是他根据实验无法分辨自己所在的密闭空间是以某种加速度进行自由落下运动还是在宇宙空间的无重力区域中漂浮。

然后爱因斯坦想象这个身体还在同一个密闭空间，在几乎没有重力的宇宙空间里。 这时，有一定的力量以某种加速度提升密闭空间，他觉得自己的脚压在地板上。 这时，如果他扔了物体，那个物体也会像站在地球上一样通过加速运动掉在地板上。 没有任何方法可以区分是受到重力的作用还是向上加速度的作用。

爱因斯坦称之为“等效原理”( the equivalence principle )。 从局部效应来看重力和加速度是等效的。 因此，两者是同一现象的不同表现形式，即能够说明加速度和重力的“宇宙场”( cosmic )吗？ eld )。

其次爱因斯坦消费了8年，把这个自由落下者的思想实验改写成了物理学史上最美、最惊人的理论。 其间，爱因斯坦的个人生活也发生了很大变化，与妻子的感情破裂，一个人住在德国柏林。 他不是瑞士专利局的职员，而是成为教授和普鲁士科学院( prussian academy of sciences )的会员，但后来他渐渐远离了科学院的同事。 因此，反犹太主义的浪潮正在高涨。 去年，美国加利福尼亚理工大学和普林斯顿大学共同将爱因斯坦的原稿文件插入网上，以便免费了解这一时期爱因斯坦对个人生活和宇宙观念变化的历史。 我们浏览文件时，1907年底爱因斯坦匆匆写下了《基于相对论的加速度和对重力的新思考》，似乎能感受到他当时的兴奋和兴奋。 但是，读了“几天后，他以准备不正确、不严密、不清楚为理由，拒绝了电气企业的交流电机专利申请”，爱因斯坦的愤怒和厌倦也跳了出来。

接下来的几年充满了戏剧性。 另一方面，爱因斯坦为了在竞争对手面前分秒必争，必须找到表示广义相对论的数学公式。 另一方面，必须在与分居的妻子会面财产和两个儿子的权利方面进行抗争。 到了1915年，爱因斯坦终于达到了事业的顶峰，提出了广义相对论完善的理论形式，永远改变了我们对整个宇宙的理解。

扩张狭义相对论。

提出重力和加速度的等效原理四年来，爱因斯坦没有根据这一思想建树，一直关注量子理论的研究。 但在1911年，他终于突破了学术界的壁垒，成为了位于布拉格的查尔斯·费迪南德大学( charles-ferdinand university )，现在成为布拉格

查理大学)的教授。 随后，爱因斯坦成功地将观察力重新放在重力理论上，使1905年提出的关于时空关系的狭义相对论更一般化。

爱因斯坦发现，在更完全的等效原理之后，会产生惊人的结果。 例如，根据他的密闭空间思想实验，重力可以弯曲光。 想象一下，当密闭空间加速向上时，光线会从墙上的小孔进入。 当光线到达另一侧的墙壁时，光线与地板之间的距离会略微减少。 因为密闭空间在这个过程中会迅速提升。 如果光能描绘出通过密闭空间的轨道路径，由于有向上的加速度，所以光会弯曲。 等效原理认为，无论是加速上升还是静止在重力场中，其效果都是一样的。 也就是说，光线通过重力场时也会产生弯曲。

1912年，爱因斯坦向老同学求助，希望能处理很多复杂的数学问题，表现出弯曲的四维时空。 迄今为止爱因斯坦的成功是基于他对隐藏在自然背后的物理原理的敏锐发现，他总是把寻找这些原理最好的数学公式的任务交给别人。 但爱因斯坦意识到数学不仅是一个解释，还有可能是一个发现。

爱因斯坦探索广义相对论的目标是找出描述两个相互交织的过程的数学方程式即重力场如何作用于物质，以某种方法运动。 物质是如何在时空中产生重力场，以某种形式弯曲的呢？

后来三年，爱因斯坦竭尽全力使他的理论完整，但发现理论雏形有缺陷。 直到1915年初夏，爱因斯坦才找到完美表现物理大体的数学公式。

和第一任妻子的关系破裂

那时，爱因斯坦搬到德国柏林，成为教授，被选为普鲁士科学院院士。 但是他发现自己的工作几乎没有得到支持。 由于反犹太主义的浪潮高涨，他无法与身边的同事形成研究伙伴关系。 他和妻子米莱娃？ mileva Mari‘c’关系破裂，Mili也是物理学家，1905年爱因斯坦创立狭义相对论时，她是他的“顾问”。 米莱瓦带着他们11岁和5岁的两个儿子回苏黎世。 爱因斯坦和表妹埃尔莎( elsa )的关系在爱因斯坦耳边有两块滴答的表:其中之一是希尔伯特逐渐接近正确的方程式。 其二，11月同意以他的理论为主题，为普鲁士科学院的院士们举办4次星期四讲座。 暧昧，后来成了爱因斯坦的第二任妻子，那时也一个人住在柏林中部的没有家具的公寓里。 在那里，他不规则地吃饭，睡觉，拉小提琴，孤独地为他的伟大理论奋斗。

1915年爱因斯坦的个人生活开始混乱。 只是催促离婚离婚离婚。 还没有，还没有，还没有，二二二二通讯二通讯，爱因斯坦爱因斯坦，爱因斯坦，但是，所以，美国不把自己的信给他们看，谴责。

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数学家希尔伯特竞争

对哥廷根的访问成功了。 几周后，爱因斯坦对物理学家的朋友说:“我说服了希尔伯特承认了广义相对论。” 在给另一位物理学家的信中，他说:“我被希尔伯特深深地吸引了！ ”。 智者惋惜之情，溢于言表。 希尔伯特也因为爱因斯坦及其理论而喜欢起来，不久他就开始自己着手解开爱因斯坦至今尚未完成的谜团。 我在找画广义相对论的数学方程式。

1915年10月初，爱因斯坦听到了希尔伯特追寻答案的“脚步声”。 然后认识到作为现在版本的理论框架他消费了两年，根据《广义相对论和重力场理论纲要》( entwurf )制定的结果有重大缺陷。 他的方程式不能恰当地解释旋转运动。 另外爱因斯坦认识到他的方程式不是广义的协变。 也就是说，这些方程真的不能使所有的加速运动或非等速运动相对。 不能完全解释天文学家观测到的水星轨道的异常现象。 水星的近地，也就是离太阳最近的点，一直偏离，牛顿物理学和爱因斯坦现在的理论版本无法恰当地解释。

爱因斯坦的耳朵里有两个滴答滴答的表。 其中之一是你可以感觉到希尔伯特接近了正确的方程式。 其二，11月同意以他的理论为主题，为普鲁士科学院的院士们举办4次星期四讲座。 11月，爱因斯坦几乎筋疲力尽。 在此期间，他处理了一系列方程，继续编辑和修改，准备朝着终点作最后冲刺。 即使在11月4日，爱因斯坦也到达普鲁士国立图书馆的礼堂，在开始第一次演讲之前，努力改变他的理论。 他一开始演讲就说“过去四年来，我一直在试图建立广义相对论”。 爱因斯坦以非常坦率的态度详细描述了他面临的困难，同时承认自己没有找到完全符合这个理论的数学方程式。 爱因斯坦处于创造性集中之前的阵痛阶段，科学史上最重要的时刻即将来临。

然后，他必须解决家庭生活的危机。 妻子不断给他写信，催他汇款，讨论与他和两个儿子联系的规定。 通过他们共同的朋友，她对爱因斯坦说，孩子们不想去柏林见他。 因为孩子们有可能发现他表哥的外遇。 爱因斯坦向朋友保证，他一个人在柏林生活，“荒凉”的公寓已经有了“接近教会的气氛”。 说到爱因斯坦广义相对论的研究事业，这位朋友说:“这是理所当然的。 因为不寻常的神圣力量在那里工作”。

但是什么？但是，不，不，不，不，不，不，不。 。 。 。 我。 。 。 。 我。 。 。 。 。 。 。 。 还没有还没有还没有还没有还没有还没有还没有还没有还没有还没有还没有还没有。

但是第二.但是结果表明，这样的变化没有起到决策性的作用。 这时，他离最终答案只有最后一点距离，但不能再往前走了。 爱因斯坦再次把演讲稿送到希尔伯特，询问希尔伯特自己的进展情况。 他说:“我的好奇心妨碍了我的工作！ ”。

爱因斯坦一定对希尔伯特的回信很烦躁。 因为希尔伯特想出了“处理你伟大问题的方法”，邀请爱因斯坦11月16日去哥廷根，当面说。 “既然你对它感兴趣，我想下周二详细谈谈我的理论。”希尔伯特写道。

“如果您能来的话，我和妻子会很高兴的。 ”然后，在签了自己的名字后，希尔伯特又添加了魅力和不安的附言。 “根据我对这篇最新论文的理解，你的处理方法和我的完全不同。 ”。

找到完美的重力场方程

11月15日，星期一，爱因斯坦在这一天总共写了四封信。 也是。在哪里？还是？还是？还是？…还没。还没。还没。还没。还没。还没。还没。还没。

田，田，田，田，田，田，山，山，山，山，山，山，山，山，山，山，山，山，山，山，山，山，山

爱因斯坦很兴奋，甚至心悸。 他对同事说:“沉浸在喜悦和兴奋中！ ”。 他还高兴地对另一位物理学家说。 “水星近地运动的计算结果非常令人满意。 天文学研究式的精度给了我们多么大的帮助，我也暗自笑过！ ”。

11月18日，在第三次演讲当天早上，爱因斯坦收到了希尔伯特的最新论文。 他有点沮丧的是，这非常像自己的工作。 他在给希尔伯特的回信中简洁清楚地表明了自己的优先顺序。 “我认为你提供的这个系统和过去几周的研究几乎一致。 我把论文提交给了科学院”，他写道。 “今天提交给科学院的这篇论文中，我没有基于任何诱惑性假设，而是从广义相对论中定量导出水星的近地运动。 迄今为止，没有重力理论能做到这一点。 ”。

第二天，希尔伯特友好慷慨地回信，表明自己没有优先权。 他写道:“衷心祝贺你克服了水星近地运动的难题。” “如果像你这样计算快的话，我很抱歉电子在我的方程式中放下武器投降，氢原子也不能辐射的理由。 ”。

但第二天，希尔伯特向哥廷根的科学杂志提交了论文，展示了他自己版本的广义相对论方程式。 他拿走了对自己复印不谦虚的标题——“物理学基础”( the foundations of physics )。 爱因斯坦是否认真学习了希尔伯特的论文，是否受到了其复印件的影响还不清楚，他当时正在准备普鲁士科学院的第四次讲座。 无论如何，爱因斯坦在11月25日的最后演讲中及时提出了能描述广义相对论的协调方程式。 那时爱因斯坦处于创造性集中爆发前的阵痛阶段，科学史上最重要的时刻即将来临。

然后，他必须解决家庭生活的危机。 演讲的主题是“重力场方程”( the field equations of gravitation )。 在外行人看来，这个方程式不是质量公式e = mc2那样生动的形象。 但是，利用简洁简洁的张量符号，将不规则杂乱的数学表现作为下标加入，爱因斯坦的场方程的最终形式依然足够简洁，可以让物理极客们在t恤上印刷。 在该方程式的许多变形形态中，rμν- 1/2gμνr = -8πg tμν方程式的左边现在被称为爱因斯坦张量( einstein tensor )，为了记述时空的几何结构因物体的存在而如何弯曲变形，而使用gμ 方程式的右边画了重力场的物质运动。 这个方程式说明了物体是如何弯曲时空的，以及这个弯曲是如何相反地影响物体的运动的。

无论是当时还是现在，关于优先权的争论依然存在，科学家们想知道广义相对论数学方程式的一部分是由希尔伯特而不是爱因斯坦发现的。 无论如何，这些方程代表了爱因斯坦的理论，爱因斯坦于1915年夏天在哥廷根向希尔伯特解释。 希尔伯特在他论文的最终版中有风格地指出:“在我看来，最终得到的引力微分方程似乎与爱因斯坦建立的宏伟广义相对论一致。” 之后，他总结说:“爱因斯坦确实不是数学家，而是完成了这项工作。”

在随后的几周里爱因斯坦和希尔伯特修复了他们的关系。 希尔伯特指定爱因斯坦为哥廷根皇家科学学会的会员。 爱因斯坦亲切地回信说，作为两个知道超乎寻常理论的人，我们的关系不能受到世俗感情的影响。 爱因斯坦写道:“我们之间有某种怨恨，我不想分解其原因。” “这种感情让我很痛苦。 我努力摆脱它们，最终战胜了这种感情。 我再次用纯粹的善意想起了你。 我希望你对我也一样。 如果两个脱离这个粗俗世界的本来值得惋惜的人不能互相享受和共享，那在平心而言是一件可耻的事件。 ”。

迄今为止最伟大的科学发现

我能理解爱因斯坦的骄傲。 他36岁时极大地修正了我们的宇宙观。 他的广义相对论不仅是对实验数据的解释，而且是关于现实的新观点。

狭义相对论的创立，爱因斯坦解释说空间和时间不是独立存在的，而是形成了时空结构。 现在，由于广义相对论的创立，这样的时空结构不仅仅是对象和事物的容器，还具有由其中的物体的运动决定，能够反过来决定其中的物体的运动的独自的动力机构。 就像保龄球和台球在弹簧床上滚动，弹簧床就会因这个弯曲而变形。 相反，弹簧地板的弯曲变形决定了球的滚动路径，使台球接近保龄球。 这个弯曲的时空结构说明了重力和加速度的等效原理，以及关于各种运动形式的广义相对论。

量子力学的先驱，诺奖获得者保罗？ 狄拉克( paul dirac，获得1933年诺贝尔物理学奖)认为“这可能是迄今为止最伟大的科学发现”。 另一位20世纪物理学巨匠马克斯呢？ 是

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