图文详情

2015年3月，天文学领域的一条消息震动了整个科学界：美国科学家利用哈勃望远镜，首次捕获了来自一颗被星系团扭曲的爆炸恒星的图像，从而证实了爱因斯坦的广义相对论。

整整100年前，世界上最伟大的科学家之一爱因斯坦曾预言：宇宙物质的高度集中将形成强大的引力，能让穿过其中的光线发生弯曲，就像光线穿过透镜一样。在之后的漫长百年岁月中，人们在努力寻找着能证明此预言的有力证据。经过对太空50多年的不懈观测，这次，证据确凿：天文学家首次通过恒星—一个距离地球93亿光年的超新星—爆炸释放的强烈光线发现引力透镜效应！

爱因斯坦《广义相对论基础》手稿（北京日报）

科学界盛赞相对论让物理学发展到了全新的高度，彻底“改变了人类看待宇宙的方式”。但是对于普通民众、普通的科学爱好者乃至专业的科学工作者来说，透彻理解相对论都是一项艰巨的任务。据说，相对论诞生之初，有一次，英国天文学家爱丁顿在作完关于广义相对论的通俗讲演后，有人问他：“尊敬的教授，听说世界上现今只有三个人懂得相对论，是这样吗？”爱丁顿略加思索后回答：“您也许说得不错。不过，我在想第三个人是谁呢？”

即使如此，却并不妨碍我们从爱因斯坦提出相对论的历程中发现其理论脉络，从宏观角度理解这一伟大成就。

狭义相对论的建立

爱因斯坦似乎天生就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。

1900年，爱因斯坦毕业于苏黎世联邦工业大学，雄心勃勃的他却在很长时间没有找到工作，两年后才去了瑞士伯尔尼担任专利局的一个小职员，从事发明专利申请的技术鉴定工作。糊口问题解决了，爱因斯坦又开始了对物理学的追求。尽管只能利用业余时间思考，远不如一般的科研人员一样全职投入，可天性乐观的爱因斯坦却很满足：“我还有星期天”。

爱因斯坦在伯尔尼专利局任职(图片提供：Albert Einstein Archive,Jerusalem,Lucien Chavan)

爱因斯坦在伯尔尼的生活时刻表是这样的：早上8时去上班，穿着拖鞋去菜市场买菜，然后步行15分钟到专利局四楼86号办公室。和其他审查员安坐长腿坐椅，双腿翘到桌上审查图纸不一样，爱因斯坦从家里带来锯子把椅腿锯掉一截，坐在短腿椅子上，把整个身子埋在桌上的图纸堆中全神贯注地审查，一天的工作往往用半天就完成了。剩下的时间就静悄悄地“干私活”--研究物理。下班后回家或者到附近的咖啡馆里和朋友喝东西--当然，并不是漫无目的地侃大山，他和几位志同道合的朋友成立了一个名为“奥林匹亚”的读书小组，读的书包括物理学前沿的论著，几位好友还经常交流学术问题，聊到深夜。没有身在学术圈，反倒给了爱因斯坦更多独立思考的时间和机会。

1905年，爱因斯坦的思考开始结出累累硕果，他接连发表了5篇论文，篇篇经典并刊登在国际物理学界声望最高的《物理学杂志》上。百年之后，联合国通过大会决议将2005年定为国际物理年，以纪念这个“奇迹之年”，即“爱因斯坦奇迹年”。

爱因斯坦在伯尔尼的故居一角（环球网）

这5篇论文分别是：

1、《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，讨论了光量子以及光电效应；

2、《分子大小的新测定》，推导出计算扩散速度的数学公式；

3、《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》，提供了原子确实存在的证明；

4、《论动体的电动力学》，提出时空关系新理论，被称为“狭义相对论”；

5、《物体的惯性是否决定其内能》，建立在狭义相对论基础上，表明质量和能量可互换，后来推出最著名的科学方程：E=mc2。

其中，《论动体的电动力学》中，他阐述了关于狭义相对论的基本原理，他写道：“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们规定如下：

1．物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

2．任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”

其中第一条就是相对性原理，第二条是光速不变性(人为假定的）。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。

狭义相对论颠覆了从牛顿以来形成的时空概念，提示了时间与空间的统一性和相对性，建立了新的时空观。

狭义相对论公式（网络图）

广义相对论的建立

1907年，爱因斯坦表示了对两年前创立的狭义相对论的不满。因为狭义相对论两个基本原理之一“相对性原理”认为：物理定律在所有惯性系中都相同。他认为这一原理与牛顿力学一样，均把惯性系放在了一个特殊的位置上，无论从物理学还是美学上都不完美。

爱因斯坦认真分析后认为，突破口就在把经典力学中“引力质量和惯性质量相等”的事实推广到“惯性力与引力等效”，这便是广义相对论的一个重要原理“等效原理”。一个简单的例子是，在一艘封闭的、加速前进的宇宙飞船上，乘客能感受到一个拉向后靠背的力，但是乘客本人无法判断是惯性力还是别的什么天体对他施加的引力。等效原理使爱因斯坦认识到，万有引力是时空弯曲的表现。但是当时他还没有掌握描述新理论的数学工具——黎曼几何。所以直到1911年夏天，爱因斯坦才重新考虑万有引力问题，并指出引力会导致光线的弯曲，而且可以通过日全食前后星光的偏折进行验证，还给出了光线偏折的估计值。

1915年11月25日，在大学同学兼好友格罗斯曼和数学家希尔伯特的帮助下，爱因斯坦给出了广义相对论的完整数学表述。他在给朋友贝索的信中写道：“我最大胆的梦想终于实现了。”广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。