宇宙专利局

爱因斯坦(1879-1955)是德国犹太人。他创立了代表现代科学的相对论，为核能的发展奠定了理论基础，开创了现代科技及其深远影响和广泛应用的现代科学新纪元，被公认为自伽利略、牛顿以来最伟大的科学家和思想家。1921诺贝尔物理学奖获得者。

1905的奇迹

从65438年到0905年，爱因斯坦创造了科学史上前所未有的奇迹。这一年，他写了六篇论文。从3月到9月的半年时间里，他利用在专利局每天工作八小时之外的业余时间，在三个领域做出了四项划时代的贡献。他发表了关于光量子理论、分子尺寸测量、布朗运动理论和狭义相对论的四篇重要论文。

1905年3月，爱因斯坦把他认为正确的论文送到了德国《物理年刊》编辑部。他害羞地对编辑说:“如果你能在你的年度报告中为我找到发表这篇论文的空间，我将非常高兴。”这篇“尴尬”的论文被称为“关于光的产生和转化的思辨观点”。

本文将普朗克在1900年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。认为:对于时间平均，光表现为波动；对于瞬时值，光显示为粒子。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。

在这篇文章的最后，他用光量子的概念通俗易懂地解释了光电效应，并推导出光电子的最大能量与入射光频率的关系。这种关系直到10年后才被密立根的实验证实。1921年，爱因斯坦因“光电效应定律的发现”的成就获得诺贝尔物理学奖。

这只是开始，艾伯特？爱因斯坦在光、热、电物理三个领域齐头并进，一发不可收拾。1905年4月，爱因斯坦完成了确定分子大小的新方法，5月完成了热分子运动理论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动。这是两篇关于布朗运动的论文。爱因斯坦当时的目的是通过观察分子运动涨落引起的悬浮粒子的不规则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，法国物理学家佩兰用精确的实验证实了爱因斯坦的理论预测。从而无可非议地证明了原子和分子的客观存在，这也使得最坚决反对原子论、能量论创始人的德国化学家奥斯特瓦尔德在1908主动宣布“原子假说已经成为一种有坚实基础的科学理论”。

1905年6月，爱因斯坦完成了开创物理学新纪元的长篇论文《论输运体的电动力学》，完整地提出了狭义相对论。这是爱因斯坦在10年酝酿和探索的结果，很大程度上解决了19年底经典物理学的危机，改变了牛顿力学的时空观，揭露了物质和能量的等价性，开创了一个全新的物理学世界，是现代物理学领域最伟大的革命。

狭义相对论不仅能解释经典物理能解释的所有现象，还能解释一些经典物理解释不了的物理现象，并预言许多新的效应。狭义相对论最重要的结论是质量守恒原理失去了独立性，与能量守恒定律融为一体，使质量和能量相互转化。其他的还有时钟的慢标度，光速不变，光子的零静止质量等等。经典力学在低速下已经成为相对论力学的极限情况。这样力学和电磁学就统一在运动学的基础上了。

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？“，作为相对论的一个推论。质能等效是核物理和粒子物理的理论基础，也为20世纪40年代核能的释放和利用开辟了道路。

在这短短的半年时间里，爱因斯坦在科学上的突破性成就可以说是“前无古人”。即使他放弃了物理学研究，即使他只完成了上述三项成就中的任何一项，爱因斯坦都会在物理学发展史上留下极其重要的印记。爱因斯坦驱散了“物理学晴空中的乌云”，迎来了更加辉煌的物理学新时代。

广义相对论的探索

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。他从伽利略发现万有引力场中的物体加速度相同中找到了突破口，并在1907年提出了等效原理。这一年，他的大学老师、著名几何学家闵可夫斯基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。可惜爱因斯坦当时并没有意识到它的价值。

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，他分析了刚性旋转圆盘，认识到引力场中的欧几里得几何并不严格有效。同时发现洛仑兹变分不具有普适性，等效原理只在一个无穷小的区域内有效。此时，爱因斯坦已经有了广义相对论的思想，但他还缺乏必要的数学基础来建立它。

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。