繼伽利略、牛頓之後最偉大的物理學家：愛因斯坦

阿爾伯特·愛因斯坦（德語/英語：Albert Einstein，1879年3月14日—1955年4月18日），出生於德國巴登－符騰堡州烏爾姆市，畢業於蘇黎世聯邦理工學院，現代物理學家。[1-4]

愛因斯坦出生於德國烏爾姆市的一個猶太人家庭（父母均為猶太人）。1900年畢業於瑞士蘇黎世聯邦理工學院，入瑞士國籍[1-4]。1905年，愛因斯坦獲蘇黎世大學物理學博士學位，並提出光子假設、成功解釋了光電效應（因此獲得1921年諾貝爾物理獎）[1-4]；同年創立狹義相對論，1915年創立廣義相對論，1933年移居美國、在普林斯頓高等研究院

愛因斯坦的理論為核能的開發奠定了理論基礎，為幫助對抗納粹，他曾在利奧·西拉德等人的協助下曾致信美國總統富蘭克林·羅斯福、直接促成了曼哈頓計劃的啟動，而二戰後他積極倡導和平、反對使用核武器，並簽署了《羅素—愛因斯坦宣言》[4-8]。愛因斯坦開創了現代科學技術新紀元，被公認為是繼伽利略、牛頓之後最偉大的

因光電效應研究獲諾貝爾獎

光電效應由德國物理學家赫茲於1887年發現，而正確的理論解釋則由愛因斯坦提出。愛因斯坦主張，光的能量並非均勻分佈，而是負載於離散的光量子，而光子的能量和其所組成的光的頻率有關。這個突破性的理論不但能夠解釋光電效應，也推動了量子力學的誕生。

1905年，愛因斯坦提出光子假設，成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。[2][16][14]

光照射到金屬上，引起物質的電性質發生變化。這類光變至電的現象被人們統稱為光電效應（Photoelectric effect）。[2]

光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏特效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。後兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。[14]

赫茲於1887年發現光電效應，愛因斯坦第一個成功的解釋了光電效應（金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子）。光波長小於某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決於金屬材料，而發射電子的能量取決於光的波長而與光強度無關，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。可事實是，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位（即光子或光量子）所組成。[2]

光電效應裡，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直於金屬表面射出，與光照方向無關，光是電磁波，但是光是高頻震盪的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響。[14]

廣義相對論

廣義相對論（General Relativity） 是描述物質間引力相互作用的理論。其基礎由愛因斯坦於1915年完成，1916年正式發表。這一理論首次把引力場解釋成時空的彎曲。

在廣義相對論中，引力被描述為時空的曲率，而這種時空曲率與處於時空中的物質與輻射能量直接聯絡，其聯絡方式即是愛因斯坦的引力場方程。

愛因斯坦曾經一度試圖把萬有引力定律納入相對論的框架，幾經失敗後，他終於認識到，狹義相對論容納不了萬有引力定律。於是，他將狹義相對性原理推廣到廣義相對性，又利用在區域性慣性系中萬有引力與慣性力等效的原理，建立了用彎曲時空的黎曼幾何描述引力的廣義相對論理論。

狹義相對論與廣義相對論：狹義相對論的時空背景是平直的四維時空，而廣義相對論則適用於任意偽黎曼空間，它的時空背景是彎曲的黎曼時空。

1907年，愛因斯坦撰寫了關於狹義相對論的長篇文章《關於相對性原理和由此得出的結論》，在這篇文章中愛因斯坦第一次提到了等效原理，此後，愛因斯坦關於等效原理的思想又不斷髮展。他以慣性質量和引力質量成正比的自然規律作為等效原理的根據，提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運動的參照系。愛因斯坦並且提出了封閉箱的說法：在一封閉箱中的觀察者，不管用什麼方法也無法確定他究竟是靜止於一個引力場中，還是處在沒有引力場卻在作加速運動的空間中，這是解釋等效原理最常用的說法，而慣性質量與引力質量相等是等效原理一個自然的推論。[14]

1915年11月，愛因斯坦先後向普魯士科學院提交了四篇論文，在這四篇論文中，他提出了新的看法，證明了水星近日點的進動，並給出了正確的引力場方程。至此，廣義相對論的基本問題都解決了，廣義相對論誕生了。

1916年，愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論的基礎》，在這篇文章中，愛因斯坦首先將以前適用於慣性系的相對論稱為狹義相對論，將只對於慣性系物理規律同樣成立的原理稱為狹義相對性原理，並進一步表述了廣義相對性原理：物理學的定律必須對於無論哪種方式運動著的參照系都成立。[14]

相對論的意義：狹義相對論和廣義相對論建立以來，已經過去了很長時間，它經受住了實踐和歷史的考驗，是人們普遍承認的真理。相對論對於現代物理學的發展和現代人類思想的發展都有巨大的影響。相對論從邏輯思想上統一了經典物理學，使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性長與普遍參照系數之間的關係，得到了所有物理規律的廣義協變形式，並建立了廣義協變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級近似。這就從根本上解決了以前物理學只限於慣性系的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。[14]

狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規律，並提示了質量與能量相當，給出了質能關係式。這兩項成果對低速運動的巨集觀物體並不明顯，但在研究微觀粒子時卻顯示了極端的重要性。因為微觀粒子的運動速度一般都比較快，有的接近甚至達到光速，所以粒子的物理學離不開相對論。質能關係式不僅為量子理論的建立和發展創造了必要的條件，而且為原子核物理學的發展和應用提供了根據。[14]

對於愛因斯坦引入的這些全新的概念，當時地球上大部分物理學家，其中包括相對論變換關係的奠基人洛侖茲，都覺得難以接受。甚至有人說“當時全世界只有兩個半人懂相對論”。舊的思想方法的障礙，使這一新的物理理論直到一代人之後才為廣大物理學家所熟悉，就連瑞典皇家科學院，1922年把諾貝爾物理學獎授予愛因斯坦時，也只是說“由於他對理論物理學的貢獻，更由於他發現了光電效應的定律。”對愛因斯坦的諾貝爾物理學獎頒獎辭中竟然對於愛因斯坦的相對論隻字未提。（注：相對論沒有獲諾貝爾獎，一個重要原因就是還缺乏大量事實驗證。）[14]

參考資料

1.CHRONOLOGY OF EINSTEIN'S LIFE．阿爾伯特·愛因斯坦官方網站[引用日期2019-08-08]

2.Albert Einstein (Biographical)．諾貝爾獎官網[引用日期2019-08-08]

3.Albert Einstein．普林斯頓高等研究院官網[引用日期2019-08-08]

4.Albert Einstein: In Brief．普林斯頓高等研究院官網[引用日期2019-08-08]

5.Albert Einstein．原子能基金會官網[引用日期2019-08-08]

6.The Einstein-Szilard Letter - 1939．原子能基金會官網[引用日期2019-08-09]

7.The Russell–Einstein Manifesto．劍橋大學官網[引用日期2019-08-09]

8.The Russell-Einstein Manifesto．密歇根大學官網[引用日期2019-08-09]

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

10.（美）阿爾伯特·愛因斯坦著. 相對論[M]. 2014：227

11.（美）愛因斯坦著；許良英，李寶恆，趙中立，範岱年編譯. 愛因斯坦文集 第3卷[M]. 2017：396

12.（美）愛因斯坦著；許良英，李寶恆，趙中立，範岱年編譯. 愛因斯坦文集 第3卷[M]. 2017：400

13.李士本 張力學 王曉鋒編著. 自然科學史簡明教程[M]. 2006；73

14.愛因斯坦的主要成就．上海市科學技術委員會．2005-06-20[引用日期2020-04-29]

15.李娟娟. 星際穿越 那些匪夷所思的宇宙常識 升級版[M]. 2017：6-8

16.葉永烈著. 化學的世界[M]. 2017：153-155

17.楊澍清主編. 物理學簡史[M]. 2017：154-155

18.任愛玲著,科學與人文七題,山西科學技術出版社,2016.12,第52-54頁

19.楊振寧談愛因斯坦：“他厲害在哪裡？”．網易科技．2015-10-04[引用日期2020-04-27]

20.黃楚安，吳瑕，李志敏著,科學邏輯思想擷粹,華中師範大學出版社,2014.04,第101頁

21.愛因斯坦的世界觀：一個真正的“獨行者”．百度新聞．2019-01-23[引用日期2020-05-02]

22.愛因斯坦到底是個怎樣的人？．人民網．2009-05-04[引用日期2020-05-02]

23.韓永泉主編；李宜初等編譯,中外笑話幽默故事精講,安徽文藝出版社,2005.01,第231-232頁

24.許良英．《愛因斯坦文集》．北京：商務印書館，1979：20-21

25.愛因斯坦奇蹟年100週年．人民網[引用日期2020-04-29]

26.Short life history: Mileva Einstein-Maric．阿爾伯特·愛因斯坦官方網站[引用日期2019-08-08]

27.Short life history: Hans Albert Einstein．阿爾伯特·愛因斯坦官方網站[引用日期2019-08-08]

28.Short life history: Eduard Einstein．阿爾伯特·愛因斯坦官方網站[引用日期2019-08-08]

29.Evelyn Einstein, Famed Physicist’s Granddaughter．伯克利歷史官網[引用日期2019-08-08]

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

31.Short life history: Elsa Einstein．阿爾伯特·愛因斯坦官方網站[引用日期2019-08-08]

32.阿爾伯特·愛因斯坦：不允許自己沉默．人民網．2005-04-20[引用日期2020-05-07]

33.“愛因斯坦：宇宙大匠”圖片展·先睹為快．人民網．2005-07-26[引用日期2020-05-07]

34.還原科學巨人的人生 "愛因斯坦展覽"來京．人民網．2010-06-01[引用日期2020-05-07]