爱因斯坦创造了什么?

1912年,爱因斯坦回到位于苏黎世的母校工作。在他的同学、母校数学教授格罗斯曼的帮助下,他在黎曼几何和张量分析中找到了建立广义相对论的数学工具。经过一年的艰苦合作,他们在1913发表了一篇重要论文《广义相对论与引力理论大纲》,提出了规范场引力理论。这是第一次把重力和度规结合起来,使黎曼几何有了真正的物理意义。

但是他们当时得到的引力场方程只是对于线性变换是协变的,在广义相对论原理要求的任意坐标变换下是不具有协变的。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,就要限制坐标系的选择,为了保持因果性,就要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,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的成就之一的广义相对论最终成立于1915。1916年在辐射量子中提出引力波理论,1917年开创现代宇宙学。

1915年7月之后,爱因斯坦在走了两年多的弯路之后,又回到了万有协变的要求。从6月1915到6月110,他集中精力探索新的引力场方程,在6月165438+10月4日,11,18。

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,但增加了一个不必要的限制。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为1.7弧秒,同时计算出水星近日点的岁差为每100年43秒,彻底解决了60多年来天文学的一大难题。

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个逻辑结构最终完成。1916年春天,爱因斯坦写了一篇总结论文《广义相对论的基础》;同年年底,一本流行的小册子《论狭义和广义相对论》问世。

1916年6月,爱因斯坦在研究引力场方程的近似积分时,发现一个力学系统在变化时必然会发出以光速传播的引力波,并由此提出了引力波理论。1979,爱因斯坦去世24年后,引力波的存在被间接证明。

1917年,爱因斯坦利用广义相对论的成果研究宇宙的时空结构,发表了开创性的论文《基于广义相对论的宇宙考察》。分析了“宇宙在空间是无限的”这一传统概念,指出它与牛顿的引力理论和广义相对论是不相容的。在他看来,可能的出路是把宇宙看成一个空间体积有限的封闭的连续区域,用科学的论证来推断宇宙在空间上是无限的。这是人类历史上一个大胆的创举,使宇宙学摆脱了纯粹的猜测,进入了现代科学的领域。

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,所以他要把广义相对论扩展到不仅包括引力场,还包括电磁场。他认为这是相对论发展的第三个阶段,即统一场论。

1925之后,爱因斯坦全力以赴探索统一场论。最初几年,他很乐观,认为胜利在望;后来发现困难很多。他认为现有的数学工具是不够的。1928后转纯数学的探索。他尝试了各种方法,但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。

同样的理论,他从来没有成功过。他从不气馁,总是充满信心地从头开始。因为他远离当时物理学研究的主流,所以他一个人去攻克当时无法解决的难题。所以和20年代的情况相反,他晚年在物理学界非常孤立。然而,他仍然无所畏惧,坚定不移地走自己的路。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。