爱因斯坦的科学最大的贡献是什么？

爱因斯坦的科学生涯始于1900年冬天，当时他大学毕业后正处于失业的痛苦中。从1900到1904，他每年都要写一篇论文，发表在德国物理杂志上。前两篇是关于液面和电解的热力学，试图给化学一个力学基础。后来发现这条路走不通了，改学热力学的力学基础。独立于J.W. Gibbs在1901中的工作，提出了统计力学的一些基本理论。从1902到1904的三篇论文都属于这个领域。1902的论文是从力学定律和概率运算推导出热平衡理论和热力学第二定律。1904的论文讨论了统计力学预言的涨落现象，发现能量涨落(或系统的热稳定性)取决于玻尔兹曼常数。他不仅将这一结果应用于机械系统和热现象，还大胆地将其应用于辐射现象，得到辐射能的涨落公式，从而推导出维恩位移定律。对涨落现象的研究使他在1905年无论是辐射理论还是分子运动理论都取得了重大突破。

奇迹1905 1905，爱因斯坦创造了科学史上没有先例的奇迹。这一年，他写了6篇论文，在3月到9月的半年时间里，利用在专利局每天工作8小时之外的业余时间，在3个领域做出了4项划时代的贡献。

光量子

在1905年3月写的论文《关于光的产生和转化的一个思辨观点》中，将1900年普朗克提出的量子概念推广到光在空间的传播，提出了光量子假说，公认为:对于时间平均(即统计平均现象)，光表现为涨落；对于瞬时值(即波动)，光表现为粒子。这是历史上第一次揭示微观物体的涨落与粒子的统一性，即波粒二象性。物理学后来的发展表明，波粒二象性是整个微观世界最基本的特征。本文还将L. Boltzmann的“系统的熵是其状态概率的函数”命名为“Boltzmann原理”。在论文的最后，他用光量子的概念通俗易懂地解释了光电现象，推导出了光电子的最大能量与入射光频率的关系。这个关系用了10年才被R.A .密立根用实验证实。爱因斯坦因为发现了光电效应定律，获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

分子运动论

1905年四月、五月、二月，他写了三篇关于液体中悬浮粒子运动的理论。这种运动最早由英国植物学家R. Brown于1827年发现，被称为布朗运动。爱因斯坦当时的目的是通过观察分子运动的涨落引起的悬浮粒子的随机运动来确定分子的实际大小，从而解决科学界和哲学界争论了半个多世纪的原子是否存在的问题。三年后，法国物理学家J.B .佩兰用精确的实验证实了爱因斯坦的理论预言。这使得当时最坚决反对原子论的德国化学家、“能量学”的创始人F.W .奥斯特瓦尔德在1908年主动宣布:“原子假说已经成为一种具有坚实基础的科学理论。

创新时代的狭义相对论

1905年6月，爱因斯坦写了一篇关于运动物体电动力学的长文，开创了物理学的新纪元，彻底提出了狭义相对论。这是他在10年酝酿和探索的结果，很大程度上解决了19年末经典物理学的危机，推动了整个物理学理论的革命。为了克服新的实验事实与旧的理论体系之间的矛盾，以洛伦茨为代表的老一辈物理学家采用了修补漏洞的方法，提出了无数假说，使旧的理论体系更加捉襟见肘。爱因斯坦认为出路在于从根本上改变整个理论基础。他从自然边界统一的信念出发，考察了以下问题:为什么在牛顿力学领域普遍成立的相对论原理(力学定律对任何惯性系都不变)在电动力学中不成立？根据M .法拉第的电磁感应实验，这种不一致显然不是现在现象所固有的，问题一定出在经典物理的理论基础上。他吸收了经验主义哲学家d .休谟对超验主义的批评和e .马赫对I .牛顿的绝对空间和绝对时间概念的批评。他从空间上分离的两个事件的“同时性”入手，否定了没有经验基础的绝对同时性，进而否定了绝对时间、绝对空间和“以太”的存在，认为必须修正传统的时空概念。他把伽利略发现的机械运动的相对性这一具有普遍意义的基本实验事实提升为所有物理理论都必须遵循的基本原理；同时把所有“以太漂移”实验表明光在真空中总是以一定速度传播的基本事实作为原理推广。如果相对性原理和光速不变原理同时成立，那么不同惯性系的坐标之间的变换就不能再是伽利略变换，而应该是类似于洛伦兹在1904中发展的另一种变换。其实爱因斯坦当时并不知道1904中洛伦兹的工作，他们最初提出的变换形式只在□ /□的一次幂上是一致的；洛伦兹变换现在本质上指的是爱因斯坦的形式。对于洛伦兹变换，空间和时间的长度不再相同，但包括麦克斯韦方程组在内的物理定律是相同的(协变的)。牛顿力学定律对伽利略变换是协变的，在洛伦兹变换下必须修改以满足协变。这种变换实际上是一种推广，把经典力学看成是相对论力学在低速下的极限情况。这样力学和电磁学就统一在运动学的基础上了。

质量能量当量

1905年9月，爱因斯坦写了一篇短文，物体的惯性和它所包含的能量有关吗？，作为相对论的推论，揭示了质量(□)和能量(□)的等价性:□=□□□□，并由此解释了为什么放射性元素(如镭)能释放出大量的能量。质能等效是核物理和粒子物理的理论基础，也为20世纪40年代实现的核能释放和利用开辟了道路。量子理论的进一步发展爱因斯坦提出光量子理论，几乎遭到了所有老一辈物理学家的反对。就连最早提出量子概念、第一个热情支持狭义相对论的普朗克，直到1913都认真地认为这是爱因斯坦的一个“错误”。尽管如此，爱因斯坦独自工作，坚持不懈地发展了量子理论。1906中，他将量子概念推广到物体内部的振动，基本解释了低温下固体比热容与温度的关系。1912年，他将光量子的概念应用于光化学现象，建立了光化学定律。1916年发表论文《辐射的量子理论》综合了量子理论的发展成果，提出了辐射的吸收和发射过程的统计理论，从N Bohr 1913中的量子跃迁概念推导出普朗克辐射公式。本文提出的受激发射概念为60年代蓬勃发展的激光技术提供了理论基础，受光量子理论揭示的波粒二象性概念的启发，物质波理论由L.V .德布罗意于1923年提出。这一理论首先得到了爱因斯坦的热情支持。不仅如此，当他在1924年收到青年物理学家S·玻色关于光的量子统计理论的论文后，立即将其翻译成德文并推荐发表，并将这一理论与物质波概念相结合，提出了单原子气体的量子统计理论。这是关于整数自旋粒子的玻色-爱因斯坦统计(见量子统计)。受爱因斯坦工作的启发，e .薛定谔将德布罗意波推广到束缚粒子，在1926年建立了波动力学(见表象理论和量子力学)。因此，美国物理学家A. Pais认为“爱因斯坦不仅是量子理论的三大元老(普朗克、爱因斯坦、N. Poe)之一，也是波动力学的唯一教父。”M born还认为，在征服量子现象荒原的斗争中，“他是一个先驱”和“我们的领袖和旗手”。

探索广义相对论的等效原理

狭义相对论建立后，爱因斯坦并不满足，试图将相对论原理的应用范围扩大到非惯性系。他从伽利略发现的引力场中所有物体加速度相同(即惯性质量等于引力质量)的古老实验事实中找到了突破口，并在1907中提出了等效原理:“引力场与参考系的等效强度在物理上是完全等效的。”并且推断在引力场中，时钟要走快，光波波长要变，光要弯曲。这一年，他的大学老师、著名几何学家h·闵可夫斯基(H. Minkowski)提出了狭义相对论的四维空间表示，为相对论的进一步发展提供了有用的数学工具，可惜爱因斯坦当时没有意识到它的价值，并加以利用。

继续探索的曲折历程

等效原理的发现被爱因斯坦认为是他一生中最快乐的思想，但他后来的工作非常辛苦，走了一个大弯路。1911年，他根据等效原理和惠更斯原理，计算出光在太阳附近通过的偏转值为□。1912年初，他分析刚性旋转圆盘，认识到引力场中的欧几里得几何并不是严格有效的。同时，他还发现洛伦兹变换不具有普适性，需要寻求更普适的变换关系；为了保证能量和动量守恒，引力场方程必须是非线性的；等效原理只对无穷小的面积有效。他意识到大学里学的高斯曲面理论应该对建立引力场方程有用，但对这套数学工具并不熟悉，一时无从下手。1912 10 10月，他离开布拉格，回到位于苏黎世的母校工作。在当时是母校数学教授的同学M. Grossman的帮助下，他研究了黎曼几何和G. Rich和T. Levi-Chevita的绝对微分学(即张量分析)。经过一年的艰苦合作，他们在1913年发表了一篇重要论文《广义相对论与引力理论大纲》，提出了引力的规范场理论。这里引力场不是标量，而是度规张量，也就是用10个引力势函数来确定引力场。这是第一次把引力和标度结合起来，让黎曼得到真正的物理意义。但他们当时得到的引力场公式只是对线性变换有协变性，并不具备广义相对论原理所要求的任意坐标变换下的协变性。这是因为爱因斯坦当时对张量运算并不熟悉，错误地认为只要遵守守恒定律，就必须限制坐标系的选择，为了维护因果律原理，不得不放弃普适协变的要求。

科学成就的第二个高峰

1915到1917这三年是爱因斯坦科学成就的第二个高峰期，类似于1905，他也在三个不同的领域取得了历史性的成就。除了被公认为人类思想史上最伟大成就之一的广义相对论，最终建成于1915。1916年，辐射量子理论取得重大突破，1917年，创立了现代科学宇宙学。广义相对论建立时放弃万有协变要求的错误，让爱因斯坦继续走了两年多的弯路，直到1915年7月才逐渐认识到这个错误。回到万有协变的要求后，他在1915年6月到110年6月，1165438年6月，集中精力探索新的引力场方程。在第一篇论文中，他得到了满足守恒定律的普适协变引力场方程(见广义相对论)，但增加了一个不必要的限制，即只允许单峰变换。在第三篇论文中，根据新的引力场方程，计算出光线通过太阳表面的偏转应该是□,是以前值的两倍；同时还计算出水星近日点每100年的剩余岁差值为43□,与观测结果完全一致，彻底解决了60多年来天文学中的一大难题，给了爱因斯坦极大的鼓舞。他在19115年10月25日的论文《引力场方程》中，放弃了对变换群不必要的限制，建立了真正普适的协变引力场方程，宣告“广义相对论作为一种逻辑结构终于完成了”。与此同时，德国数学家d .希尔伯特也在1915438+065438+10月20日在哥廷根独立得到了普适的协变力场方程。1916年春天，爱因斯坦写了一篇总结性的短文《广义相对论的基础》；同年年底，写了一本很受欢迎的小册子《论狭义和广义相对论》。

重力波

爱因斯坦在1916年3月完成广义相对论的总结后，在6月研究了引力场方程的近似积分，发现当一个力学系统发生变化时，必然会发出以光速传播的引力波。他指出，原子中存在无辐射的稳定轨道，无论从电磁的角度，还是从引力的角度，都是神秘的。因此，“量子理论不仅要改造麦克斯韦电动力学，还要改造新的引力理论。”秋天，他回到量子辐射的问题，带着这个意图提出了自发跃迁和受激跃迁的概念，并对普朗克辐射公式进行了新的推导。引力波的存在引起了一些科学家的异议，爱因斯坦后来多次讨论它的存在和性质。引力波太弱，无法被探测到，长期以来没有引起人们的注意。从20世纪60年代开始，探测引力波的实验逐渐形成热潮，但都没有达到探测所需的最低精度。通过对1974年发现的射电脉冲双星PSR1913+16的周期变化的4年连续观测，1979的公告间接证实了引力波的存在。

宇宙学的创立

1917爱因斯坦利用广义相对论的成果研究整个宇宙的时空结构，发表了开创性的论文《基于广义相对论的宇宙学概览》。本文分析了“宇宙在空间中是无限的”这一传统概念，指出它与牛顿引力理论和广义相对论引力理论是不相容的。事实上，对于空间无穷远处的引力场方程，人们无法给出合理的边界条件。他认为，可能的出路是把宇宙看成一个“有限空间(三维)体积的自我封闭的连续区域”。用科学的论据推断宇宙在空间上是有限无界的，这是人类历史上一个大胆的创举，使宇宙学摆脱了纯思辨的臆测，进入了现代科学的领域，是宇宙学的一次革命。根据当时天文学上观测到的恒星速度很小的事实，爱因斯坦认为物质的分布是准静态的。为了保证这个条件，他在引力场中引入了一个未知的普适常数(宇宙项)。在此期间，与爱因斯坦频繁通信的荷兰天文学家W. De Sitt提出了另一个平均质量密度为零的宇宙模型。1922年，苏联物理学家A.A. Friedman指出宇宙项是不必要的，从而直接从爱因斯坦的原始结果中得到了非零物质密度的膨胀宇宙模型。爱因斯坦当时不同意，但一年后他公开收回了错误的批评，承认弗里德曼的理论是正确的。由于1929年河外星系谱线红移的发现，宇宙膨胀理论得到了有力的支持。1946后发展为大爆炸宇宙学，是迄今为止最成功的宇宙学理论。

统一场论的漫长而艰难的探索

广义相对论完成后，爱因斯坦仍然感到不满足。有必要将广义相对论扩展到不仅包括引力场，还包括电磁场，也就是说，寻求统一的场论。他认为这是相对论发展的第三阶段，不仅统一了引力场和电磁场，也统一了相对论和量子论，为量子物理提供了合理的理论基础。他希望在他试图建立的统一场论中得到一个没有奇点的解，可以用来表示粒子，也就是用场的概念来解释物质的结构和量子现象。最初的统一场论是数学家H. Weil在1918年推广的。爱因斯坦对此表示赞赏，但指出该理论给出的线性元素不是不变的，而是与其过去的历史有关，这与所有氢原子具有相同光谱的事实相矛盾。然后在1919年，数学家T.F.E .卡鲁查试图用五维流形实现统一场论，得到爱因斯坦的高度赞扬。爱因斯坦在1922年完成的第一篇关于统一场论的论文是关于卡鲁查理论的。1925之后，爱因斯坦全力以赴探索统一场论。最初几年，他非常乐观，胜利在望；后来发现很多困难，觉得现有的数学工具不够用；1928后转纯数学的探索。他尝试使用各种方法，有时在五维，有时在四维，但他没有得到任何具有真正物理意义的结果。

从1925到1955的30年间，除了量子力学、引力波和广义相对论的运动的完备性，爱因斯坦几乎把所有的科学创造精力都投入到了统一场论的探索中。1937年，他在两位助手的配合下，从广义相对论的引力场方程推导出运动方程，进一步揭示了时空、物质和运动之间的统一性，这是广义相对论的一个重大发展，也是爱因斯坦在科学创造活动中取得的最后一个重大成果。然而，他从未成功地统一场论。他遇到过无数次失败，但他从未气馁，总是充满信心地从头开始。由于他远离当时物理学研究的主流，独自一人攻坚当时无法解决的难题，与当时占统治地位的哥本哈根学派针锋相对，正因为如此，与20世纪20年代的情况相反，他晚年在物理学界非常孤立。但他依然无所畏惧，坚定不移地沿着自己的道路探索真理，直到去世的前一天，他还在病床上准备继续他对统一场论的数学计算。他在1948中意识到，“我无法完成这项工作；它会被遗忘，但将来会被重新发现。”历史的发展没有辜负他。由于上世纪七八十年代的一系列实验有力地支持了电弱统一理论，统一场论的思想以一种新的形式显示了它的生命力，为物理学未来的发展提供了一个充满希望的前景。