科幻小說愛因斯坦第二

『壹』 愛因斯坦相對論原稿急要(不要網址）謝謝

愛因斯坦相對論
狹義相對論
愛因斯坦第二假設
愛因斯坦第二假設--時間和空間
伽瑪參數
宇宙執法者的歷險
宇宙執法者的歷險--微妙的時間
質量和能量 光速極限
廣 義相對論基本概念
愛因斯坦第三假設
愛因斯坦第四假設
宇宙幾何
愛因斯坦第一假設
全部狹義相對論主要基於愛因斯坦對宇宙本性的兩個假設。
第一個可以這樣陳述：
所有慣性參照系中的物理規律是相同的
此處唯一稍有些難懂的地方是所謂的「慣性參照系」。舉幾個例子就可以解釋清楚：

假設你正在一架飛機上，飛機水平地以每小時幾百英里的恆定速度飛行，沒有任何顛簸。一個人從機艙那邊走過來，說：「把你的那袋花生扔過來好嗎？」你抓起花生袋，但突然停了下來，想道：「我正坐在一架以每小時幾百英里速度飛行的飛機上，我該用多大的勁扔這袋花生，才能使它到達那個人手上呢？」
不，你根本不用考慮這個問題，你只需要用與你在機場時相同的動作（和力氣）投擲就行。花生的運動同飛機停在地面時一樣。
你看，如果飛機以恆定的速度沿直線飛行，控制物體運動的自然法則與飛機靜止時是一樣的。我們稱飛機內部為一個慣性參照系。（「慣性」一詞原指牛頓第一運動定律。慣性是每個物體所固有的當沒有外力作用時保持靜止或勻速直線運動的屬性。慣性參照系是一系列此規律成立的參照系。
另一個例子。讓我們考查大地本身。地球的周長約40，000公里。由於地球每24小時自轉一周，地球赤道上的一點實際上正以每小時1600公里的速度向東移動。然而我敢打賭說Steve Young在向Jerry Rice（二人都是橄欖球運動員。譯者注）觸地傳球的時候，從未對此擔心過。這是因為大地在作近似的勻速直線運動，地球表面幾乎就是一個慣性參照系。因此它的運動對其他物體的影響很小，所有物體的運動都表現得如同地球處於靜止狀態一樣。
實際上，除非我們意識到地球在轉，否則有些現象會是十分費解的。（即，地球不是在沿直線運動，而是繞地軸作一個大的圓周運動）
例如：天氣（變化）的許多方面都顯得完全違反物理規律，除非我們對此（地球在轉）加以考慮。另一個例子。遠程炮彈並非象他們在慣性系中那樣沿直線運動，而是略向右（在北半球）或向左（在南半球）偏。（室外運動的高爾夫球手們，這可不能用於解釋你們的擦邊球）對於大多數研究目的而言，我們可以將地球視為慣性參照系。但偶爾，它的非慣性表徵將非常嚴重（我想把話說得嚴密一些）。
這里有一個最低限度：愛因斯坦的第一假設使此類系中所有的物理規律都保持不變。運動的飛機和地球表面的例子只是用以向你解釋這是一個平日里人們想都不用想就能作出的合理假設。誰說愛因斯坦是天才？

愛因斯坦第二假設
19世紀中頁人們對電和磁的理解有了一個革命性的飛躍，其中以詹姆斯.麥克斯韋（James Maxwell）的成就為代表。電和磁兩種現象曾被認為毫不相關，直到奧斯特（Oersted）和安培（Ampere）證明電能產生磁；法拉弟（Faraday）和亨利（Henry）證明磁能產生電。現在我們知道電和磁的關系是如此緊密，以致於當物理學家對自然力進行列表時，常常將電和磁視為一件事。
麥克斯韋的成就在於將當時所有已知的電磁知識集中於四個方程中：

（如果你沒有上過理解這些方程所必需的三到四個學期的微積分課程，那麼就坐下來看它們幾分鍾，欣賞一下其中的美吧）
麥克斯韋方程對於我們的重要意義在於，它除了將所有人們已知的電磁知識加以描述以外，還揭示了一些人們不知道的事情。例如：構成這些方程的電磁場可以以振動波的形式在空間傳播。當麥克斯韋計算了這些波的速度後，他發現它們都等於光速。這並非巧合，麥克斯韋（方程）揭示出光是一種電磁波。
我們應記住的一個重要的事情是：光速直接從描述所有電磁場的麥克斯韋方程推導而來。
現在我們回到愛因斯坦。
愛因斯坦的第一個假設是所有慣性參照系中的物理規律相同。他的第二假設是簡單地將此原則推廣到電和磁的規律中。這就是，如果麥克斯韋假設是自然界的一種規律，那麼它（和它的推論）都必須在所有慣性系中成立。這些推論中的一個就是愛因斯坦的第二假設：光在所有慣性系中速度相同
愛因斯坦的第一假設看上去非常合理，他的第二假設延續了第一假設的合理性。但為什麼它看上去並不合理呢？
火車上的試驗
為了說明愛因斯坦第二假的合理性，讓我們來看一下下面這副火車上的圖畫。 火車以每秒100，000，000米/秒的速度運行，Dave站在車上，Nolan站在鐵路旁的地面上。Dave用手中的電筒「發射」光子。

光子相對於Dave以每秒300,000,000米/秒的速度運行，Dave以100,000,000米/秒的速度相對於Nolan運動。因此我們得出光子相對於Nolan的速度為400,000,000米/秒。
問題出現了：這與愛因斯坦的第二假設不符！愛因斯坦說光相對於Nolan參照系的速度必需和Dave參照系中的光速完全相同，即300，000，000米/秒。那麼我們的「常識感覺」和愛因斯坦的假設那一個錯了呢？

好，許多科學家的試驗（結果）支持了愛因斯坦的假設，因此我們也假定愛因斯坦是對的，並幫大家找出常識相對論的錯誤之處。
記得嗎？將速度相加的決定來得十分簡單。一秒鍾後，光子已移動到Dave前300，000，000米處，而Dave已經移動到Nolan前100，000，000米處。其間的距離不是400，000，000米只有兩種可能：
1、 相對於Dave的300，000，000米距離對於Nolan來說並非也是300，000，000米
2、 對Dave而言的一秒鍾和對Nolan而言的一秒鍾不同
盡管聽起來很奇怪，但兩者實際上都是正確的。

愛因斯坦第二假設
時間和空間
我們得出一個自相矛盾的結論。我們用來將速度從一個參照系轉換到另一個參照系的「常識相對論」和愛因斯坦的「光在所有慣性系中速度相同」的假設相抵觸。只有在兩種情況下愛因斯坦的假設才是正確的：要麼距離相對於兩個慣性系不同，要麼時間相對於兩個慣性系不同。
實際上，兩者都對。第一種效果被稱作「長度收縮」，第二種效果被稱作「時間膨脹」。

長度收縮：
長度收縮有時被稱作洛倫茨（Lorentz）或洛倫茨－弗里茨格拉德（FritzGerald）收縮。在愛因斯坦之前,洛倫茨和弗里茨格拉德就求出了用來描述（長度）收縮的數學公式。但愛因斯坦意識到了它的重大意義並將其植入完整的相對論中。這個原理是： 參照系中運動物體的長度比其靜止時的長度要短下面用圖形說明以便於理解：
上部圖形是尺子在參照系中處於靜止狀態。一個靜止物體在其參照系中的長度被稱作他的「正確長度」。一個碼尺的正確長度是一碼。下部圖中尺子在運動。用更長、更准確的話來講：我們相對於某參照系，發現它（尺子）在運動。長度收縮原理指出在此參照系中運動的尺子要短一些。
這種收縮並非幻覺。當尺子從我們身邊經過時，任何精確的試驗都表明其長度比靜止時要短。尺子並非看上去短了，它的確短了！然而，它只在其運動方向上收縮。下部圖中尺子是水平運動的，因此它的水平方向變短。你可能已經注意到，兩圖中垂直方向的長度是一樣的。

時間膨脹：
所謂的時間膨脹效應與長度收縮很相似，它是這樣進行的：
某一參照系中的兩個事件，它們發生在不同地點時的時間間隔
總比同樣兩個事件發生在相同地點的時間間隔長。
這更加難懂，我們仍然用圖例加以說明：

圖中兩個鬧鍾都可以用於測量第一個鬧鍾從A點運動到B點所花費的時間。然而兩個鬧鍾給出的結果並不相同。我們可以這樣思考：我們所提到的兩個事件分別是「鬧鍾離開A點」和「鬧鍾到達B點」。在我們的參照系中，這兩個事件在不同的地點發生（A和B）。然而，讓我們以上半圖中鬧鍾自身的參照系觀察這件事情。從這個角度看，上半圖中的鬧鍾是靜止的（所有的物體相對於其自身都是靜止的），而刻有A和B點的線條從右向左移動。因此「離開A點」和「到達B點」著兩件事情都發生在同一地點！（上半圖中鬧鍾所測量的時間稱為「正確時間」）按照前面提到的觀點，下半圖中鬧鍾所記錄的時間將比上半圖中鬧鍾從A到B所記錄的時間更長。
此原理的一個較為簡單但不太精確的陳述是：運動的鍾比靜止的鍾走得更慢。最著名的關於時間膨脹的假說通常被成為雙生子佯謬。假設有一對雙胞胎哈瑞和瑪麗，瑪麗登上一艘快速飛離地球的飛船（為了使效果明顯，飛船必須以接近光速運動），並且很快就返回來。我們可以將兩個人的身體視為一架用年齡計算時間流逝的鍾。因為瑪麗運動得很快，因此她的「鍾」比哈瑞的「鍾」走得慢。結果是，當瑪麗返回地球的時候，她將比哈瑞更年輕。年輕多少要看她以多快的速度走了多遠。
時間膨脹並非是個瘋狂的想法，它已經為實驗所證實。最好的例子涉及到一種稱為介子的亞原子粒子。一個介子衰變需要多少時間已經被非常精確地測量過。無論怎樣，已經觀測到一個以接近光速運動的介子比一個靜止或緩慢運動的介子的壽命要長。這就是相對論效應。從運動的介子自身來看，它並沒有存在更長的時間。這是因為從它自身的角度看它是靜止的；只有從相對於實驗室的角度看該介子，我們才會發現其壽命被「延長」或「縮短」了。?
應該加上一句：已經有很多很多的實驗證實了相對論的這個推論。（相對論的）其他推論我們以後才能加以證實。我的觀點是，盡管我們把相對論稱作一種「理論」，但不要誤認為相對論有待於證實，它（實際上）是非常完備的。

伽瑪參數（γ）
現在你可能會奇怪：為什麼你在日常生活中從未注意到過長度收縮和時間膨脹效應？例如根據剛才我所說的，如果你驅車從俄荷馬城到勘薩斯城再返回，那麼當你到家的時候，你應該重新對表。因為當你駕車的時候，你的表應該比在你家裡處於靜止狀態的表走得慢。如果到家的時候你的表現時是3點正，那麼你家裡的表都應該顯示一個晚一點的時間。為什麼你從未發現過這種情況呢？
答案是：這種效應顯著與否依賴於你運動速度的快慢。而你運動得非常慢（你可能認為你的車開得很快，但這對於相對論來說，是極慢的）。長度收縮和時間膨脹的效果只有當你以接近光速運動的時候才能注意到。而光速約合186，300英里/秒（或3億米/秒）。在數學上，相對論效應通常用一個系數加以描述，物理學家通常用希臘字母γ加以表示。這個系數依賴於物體運動的速度。例如，如果一根米尺（正確長度為1米）快速地從我們面前飛過，則它相對於我們的參照系的長度是1/γ米。如果一個鍾從A點運動到B點要3秒鍾，那麼相對於我們的參照系，這個過程持續3/γ秒。
為了理解現實中為什麼我們沒有注意到相對論效應，讓我們看一下（關於）γ的公式： 這里的關鍵是分母中的v2/c2。v是我們所討論的物體的運動速度，c是光速。因為任何正常尺寸物體的速度遠小於光速，所以v/c非常小；當我們將其平方後（所得的結果）就更小了。因此對於所有實際生活中通常尺寸的物體而言，γ的值就是1。所以對於普通的速度，我們通過乘除運算後得到的長度和時間沒有變化。為了說明此事，下面有一個對應於不同速度的γ值表。（其中）最後一列是米尺在此速度運動時的長度（即1/γ米）。
第一列中c仍舊表示光速。.9c等於光速的十分之九。為了便於參照舉個例子：「土星五號」火箭的飛行速度大約是25，000英里/小時。你看，對於任何合理的速度，γ幾乎就是1。因此長度和時間幾乎沒有變化。在生活中，相對論效應只是發生在科幻小說（其中的飛船遠比「土星五號」快得多）和微觀物理學中（電子和質子常被加速到非常接近光速的速度）。在從芝加哥飛往丹佛的路上，這種效應是不會顯現出來的。
宇宙執法者的歷險

宇宙執法者AD在A行星上被邪惡的EN博士所擒。EN博士給AD喝了一杯13小時後發作的毒酒，並告訴AD解葯在距此40，000，000，000公里遠的B行星上。AD得知此情況後立即乘上其0.95倍光速的星際飛船飛往B星，那麼：

AD能即使到達B星並取得解葯嗎？
我們做如下的計算：
A、B兩行星之間的距離為40，000，000，000公里。飛船的速度是1，025，000，000公里/小時。把這兩個數相除，我們得到從A行星到B行星需要39小時。
那麼AD必死無疑。
等一下！這只對於站在A行星上的人而言。由於毒葯在AD的體內是要經過新陳代謝（才能發作）的，我們必須從AD的參照系出發研究這一問題。我們可以用兩種方法做這件事情，它們將得到相同的結論。
1. 設想一個大尺子從A行星一致延伸到B行星。這個尺子有40，000，000，000公里長。然而，從AD的角度而言，這個尺子以接近光速飛過他身邊。我們已經知道這樣的物體會發生長度收縮現象。在AD的參照系中，從A行星到B行星的距離以參數γ在收縮。在95％的光速下，γ的值大約等於3.2。因此AD認為這段路程只有12，500，000，000公里遠（400億除以3.2）。我們用此距離除以AD的速度，得到12.2小時，AD將提前將近1小時到達B行星！
2. A行星上的觀察者會發現AD到達B需要花費大約39小時時間。然而，這是一個膨脹後的時間。我們知道AD的「鍾」以參數γ（3.2）變慢。為了計算AD參照系中的時間，我們再用39小時除以3.2，得到12.2小時。（也）給AD剩下了大約1小時（這很好，因為這給了AD20分鍾時間離開飛船，另外20分鍾去尋找解葯）。

AD將生還並繼續與邪惡戰斗。

如果對上文中我的描述加以仔細研究，你會發現許多似是而非，非常微妙的東西。當你深入地思考它的時候，一般你最終將提出這樣一個問題：「等一下，在AD的參照系中，EN的鍾表走得更慢了，因此在AD的參照系中，宇宙旅行應花費更長的時間，而不是更短...
如果你對這個問題感興趣或者覺得困惑，你可能應該看一下後文《宇宙執法者的歷險——微妙的時間》。或者你可以相信我所說的話「如果你把所有的因果都弄清楚，那麼所有（這些）都是正確的」並跳到《質量和能量》一章。

宇宙執法者的歷險——微妙的時間
好，這就是我們剛剛看到的。我們已經發現在AD相對於EN參照系旅行中的時間膨脹。在EN參照系中，AD是運動的，因此AD的鍾走得慢。結果是在此次飛行中EN的鍾走了39小時，而AD的鍾走了12小時。這常常使人們產生這樣的問題：

相對於AD的系，EN是運動的，因此EN的鍾應該走得慢。因此當AD到達B行星的時候，他的鍾走的時間比EN的長。誰對？長還是短？
好問題。當你問這個問題的時候，我知道你已經開始進入情況了。在開始解釋之前，我必須聲明在前文所敘述的事情都是對的。在我所描述的情況下，AD可以及時拿到解葯。現在讓我們來解釋這個徉謬。這與我尚未提及的「同時性」有關。相對論的一個推論是：同一參照系中的兩個同時（但不同地點）發生的事件相對於另一個參照系不同時發生。
讓我們來研究一些同時發生的事件。
首先，讓我們假設EN和AD在AD離開A行星時同時按下秒錶。按照EN的表，這趟B行星之旅將花費39小時。換言之，EN的表在AD到達B行星時讀數為39小時。因為時間膨脹，AD的表與此同時讀數為12.2小時。即，以下三件事情是同時發生的：
1、 EN的表讀數為39
2、 AD到達B行星
3、 AD的表讀數為12.2

這些事件在EN的參照系中是同時發生的。
現在在AD的參照系中，上述三個事件不可能同時發生。更進一步，因為我們知道EN的表一定以參數γ減慢（此處γ大約為3.2），我們可以計算出當AD的表讀數為12.2小時的時候，EN的表的讀數為12.2/3.2＝3.8小時。因此在AD的系中，這些事情是同時發生的：
1、 AD到達B行星
2、 AD的鍾的讀數為1.2
3、 EN的鍾的讀數為3.2

前兩項在兩個系中都是相同的，因為它們在同一地點——B行星發生。兩個同一地點發生的事件要麼同時發生，要麼不同時發生，在這里，參照系不起作用。
從另一個角度看待此問題可能會對你有所幫助。你所感興趣的事件是從AD離開A行星到AD到達B行星。一個重要的提示：AD在兩個事件中都存在。也就是說，在AD的參照系中，這兩個事件在同一地點發生。由此，AD參照系的事件被稱作「正確時間」，所有其他系中的時間都將比此系中的更長（參見時間膨脹原理）。不管怎樣，如果你對AD歷險中的時間膨脹感到迷惑，希望這可以使之澄清一些。如果你原本不糊塗，那麼希望你現在也不。
質量和能量
除了長度收縮和時間膨脹以外，相對論還有許多推論。其中最著名、最重要的是關於能量的。
能量有許多狀態。任何運動的物體都因其自身的運動而具有物理學家所謂的「動能」。動能的大小和物體的運動速度及質量有關。（「質量」非常類似於「重量」，但並不完全相同）放在架子上的物體具有「引力勢能」。因為如果架子被移掉，它就（由於引力）具有獲得動能的可能。
熱也是一種形式的能，其最終可以歸結於組成物質的原子和分子的動能，此外還有許多其他形式的能。
把上述現象都和能量聯系起來的原因，即它們之間的聯系，是能量守恆定律。這個定律是說，如果我們把宇宙中全部的能量都加起來（我們可以用象焦耳或千瓦時這樣的單位定量地描述能量），其總量永不改變。此即，能量從不會產生或消滅，盡管它們可以從一種形態轉化為另一種形態。例如，汽車是一種可以將（在引擎的汽缸中的）熱能轉化為（汽車運動的）動能的設備；燈泡（可以）將電能轉化為光能（這又是兩種能的形式）。
愛因斯坦在他的相對論中發現了能量的另一種形式，有時被稱作「靜能量」。我已經指出一個運動物體由於其運動而具有了能量。但愛因斯坦發現，同樣一個物體在其靜止不動的時候同樣具有能量。物體內靜能量的數量依賴於其質量，並以公式E＝mc2給出。
由於光速是如此之大的一個數，一個典型物體的靜能量與其所具有的其他類型的能量根本不可相提並論。但這並不重要，因為日常生活中物體的靜能量就是保持「安靜」的狀態，並且不會被轉化成我們可以注意到的其他形式的能，如熱能或動能。在核電站、原子武器和太陽中有相對很少一部分靜質量被轉化為其他形式的能，但對於大多數情況而言，靜能量通常不會被注意到。
一個物體的動能和靜能量的總和也可以用數學公式非常容易地表述如下：

E＝mc2γ

注意，在日常的速度中，γ大約等於1。因此靜、動能量之和近似等於單一的靜能量。換句話說，在日常速度中，靜能比動能大得多。然而，當速度非常接近光速時，γ可以比1大很多（靜能量只與物體的質量有關，而與其運動與否無關）。這對於在芝加哥附近的費米實驗室和瑞士邊界的CERN實驗室中（使用）粒子加速器的物理學家來說非常重要。
光速極限
在讀AD歷險記中，你可能注意到AD的速度幾乎是，但並不等於光速。這似乎有很充分的理由：遠低於光速的速度相對論效應不顯著。然而實際情況是超光速在物理學中是不可能的。
我會告訴你這是為什麼。假想AD奮力想將他的飛船加速到光速。好，我們已經知道物質的能量與γ參數成比例，這在相對論計算中太普遍了。但你現在也會知道當物體的運動速度等於光速時，γ參數將變為無窮大。因此，為了讓AD的飛船加速到光速，他將需要無窮大的能量。這顯然是不可能的。因此盡管對於一個物體可以以多麼接近光速的速度運動並無限制，但任何有質量的物體都不可能達到光速。實際上，沒有質量的物質必須以光速運動，在此我不想討論其原因。唯一的一種沒有質量的物質是光（被稱作「光子」），或許還有中微子（不久前已經證實，中微子有質量。譯者）
還有其他物體不能朝光速運動的原因。其中之一與「因果性」有關。假設我投出一個壘球並打碎了一扇窗戶，那麼「我投出球」就是「窗戶被擊碎」的原因。如果超光速是可能的，那麼一定會有某種參照系，其中「窗戶被擊碎」先於「我投出球」發生。這導致各種邏輯沖突（特別是當窗戶已經碎了之後又有人截獲了飛行中的球，阻止了窗戶被擊碎！）因此我們將物體能超光速運行這種可能性排除了。更進一步，因果性排除的不僅是朝光速運動，更排除了任何超光速通訊。
光速，就我們所知而言，是一道不可逾越的障礙。
如果你和我一樣是個科幻迷，這將是一個壞消息。幾乎可以肯定，在除地球之外的太陽系中不存在有智慧的生命。然而恆星間的距離太遠了！我們即使以光速運行，到達最近的恆星也要花上4年時間。所以沒有比光快的交通手段，將很可能無法在銀河系中游盪並與異型文明相遇，為爭奪銀河系的帝位而站，等等。
另一方面，由於長度收縮，或許情況並非那樣令人絕望。假設你登上一條飛船，以接近光速飛往10光年以外的一顆恆星。從地球的參照系看來，這個旅行將持續10年。然而對於這次旅行中的乘客而言，長度縮短了。因此這個旅行只用了不到10年的時間。並且飛船飛行得越接近光速，（相對於地球和恆星的）長度收縮得也越多（你也可以從時間膨脹的角度考慮這個問題）。
為了說明這點，這里有一個表，標明以不同的速度到達不同目的地所需要的時間。讓我解釋一下它們的含義：

首先，為了能產生顯著的長度縮短，我們必須非常接近光速。因此我假設在旅行中飛船可以產生一個穩定的加速度。這也就是說，飛船內的人將感受到一個連續的加速度。例如，前半程以1g（g為地球的重力加速度。譯者）加速，後半程以1g減速。

第二列以光年為單位給出了地球距離我們目的地的距離（一光年是光在一年內傳播的距離，大約是6萬億英里）。我加入了三種不同加速度的計算，一種較小，另一種較大；剩下的一種與地球的重力加速度相等。加速度為2g的旅行可能會非常不舒服，因此或許你根本不用再考慮所有比這更大的速度。

第四列列出了最大速度（在中點處，當飛船正要轉入減速運動時）與光速的比值。最後兩列給出了旅行所需要的時間。首先以地球為參照系，然後以飛船為參照系。其中的差別很重要。我的意思是，如果說你乘飛船以2g的加速度飛往獵戶座，在你到達獵戶座之前要在飛船上渡過6.8年的時間。（盡管距離很遠，但「飛船時間」增加得非常慢。這是因為距離越大，在開始減速前你越能接近光速飛行，因此你得到的長度收縮越多！）但當你到達那裡的時候，地球上已經過500多年了。你到達獵戶座後所發出的任何信息都將在500年後到達地球，回信也是如此。因此如果人類有一天能漫步在銀河系之中，不同居住點之間將處於隔絕狀態。地球上的人不可能以任何常規方式同獵戶座附近的人交談。
為建造一艘可以像這樣無限加速的飛船，現在看來有無窮的技術困難。這些困難可能會被證實是不可克服的，那麼我們就只能在幻想的空間遨遊；但如果它們是可以克服的，並且如果我們人類可以活得足夠長以克服它們，那麼我剛才所描述的正是依據狹義相對論的理論上（可行的）遠程宇宙旅行。
當然，許多科幻小說仍然加入了超光速飛行。但它們也常常不得不在其中引入一些奇怪的概念，如：「（時空）扭曲」、「超時空」。最終的情況是：就我們今天所知的時、空而言，超光速飛行是不可能的。但如果你喜歡，你總可以寄希望於某種時空的「窗口」或一個全新的，允許物體超光速運動的物理分枝被發現。

那樣，我們就可以著手建立一個大銀河帝國了！

廣義相對論—— 一個極其不可思議的世界
廣義相對論的基本概念解釋：
在開始閱讀本短文並了解廣義相對論的關鍵特點之前，我們必須假定一件事情：狹義相對論是正確的。這也就是說，廣義相對論是基於狹義相對論的。如果後者被證明是錯誤的，整個理論的大廈都將垮塌。
為了理解廣義相對論，我們必須明確質量在經典力學中是如何定義的。
質量的兩種不同表述：
首先，讓我們思考一下質量在日常生活中代表什麼。「它是重量」？事實上，我們認為質量是某種可稱量的東西，正如我們是這樣度量它的：我們把需要測出其質量的物體放在一架天平上。我們這樣做是利用了質量的什麼性質呢？是地球和被測物體相互吸引的事實。這種質量被稱作「引力質量」。我們稱它為「引力的」是因為它決定了宇宙中所有星星和恆星的運行：地球和太陽間的引力質量驅使地球圍繞後者作近乎圓形的環繞運動。
現在，試著在一個平面上推你的汽車。你不能否認你的汽車強烈地反抗著你要給它的加速度。這是因為你的汽車有一個非常大的質量。移動輕的物體要比移動重的物體輕松。質量也可以用另一種方式定義：「它反抗加速度」。這種質量被稱作「慣性質量」。
因此我們得出這個結論：我們可以用兩種方法度量質量。要麼我們稱它的重量（非常簡單），要麼我們測量它對加速度的抵抗（使用牛頓定律）。

人們做了許多實驗以測量同一物體的慣性質量和引力質量。所有的實驗結果都得出同一結論：慣性質量等於引力質量。
牛頓自己意識到這種質量的等同性是由某種他的理論不能夠解釋的原因引起的。但他認為這一結果是一種簡單的巧合。與此相反，愛因斯坦發現這種等同性中存在著一條取代牛頓理論的通道。
日常經驗驗證了這一等同性：兩個物體（一輕一重）會以相同的速度「下落」。然而重的物體受到的地球引力比輕的大。那麼為什麼它不會「落」得更快呢？因為它對加速度的抵抗更強。結論是，?/div>

『貳』 求一篇科幻小說,魔瓶里的妖精.裡面提到了很多科學家,麥克斯韋,愛因斯坦

應該叫做<關妖精的瓶子>,原載<科幻世界>2005年5月刊,作者夏笳.在網上搜索小說名字很容易找到.原文如下:
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關妖精的瓶子
作者：夏笳

詹姆斯*C*麥克斯韋先生雖然是一位嚴謹的物理學家，但是在面對超自然現象時卻也相當能沉住氣，這或許多虧了他的妻子瑪麗對一切民間傳說多年來的愛好。

眼下不速之客正坐在壁爐旁邊，樣子多少有點寒酸。經過主人的再三請求，他才勉強摘下頭上那頂又厚又皺的暗綠色尖頂帽放在膝蓋上揉捏著，露出汗涔涔的額頭和那雙標志性的毛茸茸的耳朵。

「抱歉，失陪一下。」麥克斯韋先生說著，起身離開了客廳。這時瑪麗正端著咖啡站在走廊盡頭。

「那就是傳說中的妖精？」她好奇的問。

「至少他自己是這么說的。」

「個頭倒挺大的。」瑪麗評價到，「就是樣子不太中用。」

的確，那個坐在壁爐旁的......（該怎麼稱呼呢？東西？）完全沒有任何可以稱作是威嚴，神奇或者是可怕的儀容，批著一件破舊的外套，倒像一個剛從玉米地里鑽出來的農場工人，盡管他確實是像傳說中的那樣，「嘭」的一聲，伴隨著一陣煙霧憑空出現在麥克斯韋先生的實驗室里的。

「我想這是個玩笑。」麥克斯韋先生聳聳肩，「盡管不明白為什麼。」

「不過你還是小心點，妖精的力量沒准兒並不像外表看上去那樣。」瑪麗說道，語氣中卻聽不出什麼擔憂之意。他們一起回到了客廳。

喝下一杯熱乎乎的黑咖啡後，妖精看上去放鬆了一些，於是麥克斯韋先生重新挑起話題：「龍......抱歉，這位先生，您一開始說您的全名是？」

「科魯耐里亞斯*古斯塔夫*龍佩爾斯迪爾欽。」妖精回答道，表情幾乎有點不好意思，「這是後來人家給我起的，一個非常古老的德國姓氏。」

「是的，是的，先生。不過還是讓我們繼續吧，我記得我們剛才談到阿基米德......」

「對，他是我的第一個主人，實話說吧，一個不折不扣的老瘋子。」妖精板著臉說，「我被他使喚了幾十年，造了不知道多少亂七八糟的東西。羅馬人開進敘拉古城的前一天晚上，他把我封到石板裡面，一封就是一百多年。」說到這里，妖精的眼睛居然有點濕潤了，他連忙用長滿毛的手背胡亂擦了兩下。

麥克斯韋先生清了清嗓子：「我明白，不過您還沒說你們當時打的什麼賭呢？」

「打賭？哦，是的。太久啦，我，我記不清了。」妖精結結巴巴地說，繼續低頭揉他的帽子，「其實那件事兒從一開頭就註定是我吃虧，您也知道他是個多難纏的老頭。」

「好吧，那您又是怎麼從法拉第先生的實驗筆記里冒出來的呢？」

「這個說起來話可長了，中間經歷了好多事兒呢，您要是知道了我那一串主人的名字准能猜到是是怎麼個光景，我也不跟您在這兒廢話，」妖精抬起頭，用一種近乎哀怨的眼神望著對方，「總之你們這些搞物理的沒幾個正常人，就拿那位法拉第先生來說吧，我那天正幫他纏線圈纏的好好的，他就突然跟我來一句：『你跟著我已經夠久了吧？我因也沒什麼事兒要你做了。』連聲告別都沒有，就這么著拿個本子把我封起來，然後我就稀里糊塗地到了您這兒。跟了他這么久，除了線圈就是線圈，他連一個銅板也沒想起來向我要過。」

麥克斯韋先生剛想對此事發表一下評論，因為眾所周知法拉第先生是他的老師，但是瑪麗儀態款款地出現在門口。「詹，要留這位先生吃晚飯嗎？」

妖精頓時坐立不安起來「不，不用麻煩了，先生，太太。我想我們還是盡快把事兒辦了吧。」他從口袋裡摸索出一卷油膩膩的羊皮紙，因為年代久遠而殘缺不全。

麥克斯韋先生展開細細地看，妖精在旁邊繼續說：「總的來說就是這么回事兒，咱們打個賭，我輸了，我就供您差遣；要是您輸了，您的靈魂和一切財產就歸我，而我就從此自由了。」

「一定得這么辦？」瑪麗斜過身子問道。

「老規矩啦，太太，幾千年來大家都是這么辦的。您大概多少也聽說過一些。」

「和妖精打賭未必是件有利可圖的事。」麥克斯韋先生抬起頭，「你能帶給我什麼？」

「很多......」妖精伸出毛茸茸的爪子，亮閃閃的金幣從掌心裡冒出來，他故意讓它們叮叮咚咚地落在地上，「財富，權勢，地位，只要是您所要求的。」

麥克斯韋先生好奇地望著他的手掌。「不管怎麼說，這似乎是個機會......」他喃喃自語道，「好吧，瑪麗，我們遲會兒在開飯，現在先拿支筆來。」

打賭的規矩是這樣的，麥克斯韋先生提出一個難題，如果妖精在二十四小時內無法解決，勝利就歸麥克斯韋先生，否則就是妖精贏得一切。當然，前提條件是這個難題必須是有某種特定答案的。

「不能拿些不清不楚的問題來為難我，先生，您讓我繞著美洲大陸跑一圈都成，但別問我能不能出個自己都回答不了的難題。」麥克斯韋先生對此表示接受。

「這事兒怕沒那麼容易，親愛的。」麥克斯韋夫人心中多少有點忐忑不安，「你怎麼能有把握贏過妖精呢？」

「聽我說，瑪麗。」麥克斯韋先生小心地壓低聲音，「我仔細看過契約書了，猜猜我發現的最有意思的事情是什麼？那一長串簽名，亞里士多德，伽利略，牛頓，哥白尼......幾乎我所知道的大物理學家都在上面，齊全得可以編進網路全書。這倒不稀奇，可是你想想看，幾千年了，從沒聽說上面的哪個人因為和妖精訂了什麼契約而輸掉性命的。我想我還不至於是第一個。」

瑪麗迅速地眨眨眼睛。「可憐的妖精。」她嘆出一口氣，「你打算怎麼為難他？」

「慢慢看著吧，其實我也沒有什麼把握。」

就在妖精把他的尖頂帽子揉到一百零八次的時候，麥克斯韋夫人帶著和藹的微笑把他請進丈夫的實驗室，順便小心翼翼地從他手裡搶救出飽經蹂躪的帽子掛到衣帽架上。

這時候麥克斯韋先生正在對初具雛形的玻璃儀器進行進一步調試。

「我想這樣就可以了。」麥克斯韋先生將塞有橡膠塞的一端從水槽里取出來，說道，「來吧，這邊是入口。」

妖精用近乎絕望的眼神看著這堆閃閃發光的玻璃器皿，它的主體是一個兩端有橡膠塞的大玻璃瓶子，瓶子中間被一道豎直的玻璃隔片隔成兩半，其中一邊裝有一些液態乙醚。

「你要把我關進去？」妖精有氣無力地問。

「不錯，讓我們來看看你能不能找到出來的辦法。」麥克斯韋先生答道，「這將是很有意義的一次實驗。」

妖精站在空瓶子的那一頭猶豫了一陣，帶這聽天由命的神情縮小身軀鑽進瓶子里，隨著一聲響動瓶口被塞住了。他漂浮在空氣里向四周張望著，玻璃瓶展開一個圓滑的弧度，將外面的景物擴大了很多倍，麥克斯韋先生及夫人正在向裡面好奇地張望著。

直接出去是不可能的。眾所周知，在任何一個童話里，一個妖精再怎麼神通廣大，只要被人關進了玻璃瓶就再也別想出去。這個奇怪的事實或許說明妖精的變身能力是有限度的，否則他就可以縮小到原子級別，然後從二氧化硅巨大整齊的網格中優哉游哉地鑽出去，雖然我們很難說他會不會受到靜電力的影響而被牢牢地吸附在某個共價鍵上。顯然，麥克斯韋先生是將這一點考慮進這個有趣的實驗中的---哦，不，差點忘了這是一場生死攸關的賭博。

那麼，要出去只有一個辦法，一個由實驗者事先決定好的唯一的方法。

我們應該說妖精科魯耐里亞斯*古斯塔夫*龍佩爾斯迪爾欽具有相當良好的科學頭腦，或者，至少是在長達幾千年與物理學家的相處中多少學會了一些科學的思維方式．

當麥克斯韋先生和夫人喝過一杯咖啡，進入實驗室觀察進展時，妖精把自己變到肉眼可見的尺度，身上滿是濕乎乎的乙醚蒸汽。

「我在橫膈上發現了兩個小孔。」他宣布說，「對我而言它們稍微窄小了一點，不過我還是到另外一邊去看過了，除了令人暈眩的氣體外什麼也沒有。」⑤

「那些孔本來說就不是為你弄的。」麥克斯韋先生略帶歉意地說，「我盡量把它們弄小一點，這是出於實驗目的的考慮。」

「我想我很快就能明白你的意思。」說完它又變得看不見了。

當他們走出實驗室時，麥克斯韋先生夫人像少女般調皮地眨了眨眼睛，說：

「我開始認為你贏定了，親愛的，姑且說是女性的直覺吧。能透露一點軍事機密給我嗎？」

「事實上，我想看看他有沒有可能將冷熱氣體分開，換句話說，速度快的和速度慢的，這里
涉及到減熵的問題。」麥克斯韋先生回答道，但是明顯有點心不在焉，他摟過夫人的肩膀在他額頭上輕吻一下，「你先去睡吧，親愛的，我想繼續觀察一小會兒。」

一個小時後他再去看的時候，發現妖精已經抓住了訣竅。

「我縮小到了所能到達的極限，在這個尺度上空氣分子就像一些瘋狂的小彈珠一樣飛來飛去。」妖精氣喘吁吁地說道，「只要能控制這兩個小孔，只讓速度快的進入另外一邊，將會
使那邊的溫度升高，讓液體變成氣體推動塞子，甚至可能發生爆炸。」⑥

「看來你真的知道不少東西呢。」麥克斯韋先生贊許道，「，加油干吧，可能的話順便幫忙記
錄一下那些朝你飛過來的小分子速度，或許我能藉此機會驗證一下我的速率分布理論。」⑦
說完他便離開了。

第二天早餐後麥克斯韋先生與夫人欣賞了一支舒伯特的即興鋼琴曲，然後邁著輕快的步子走向實驗室，清晨涼爽的風正從窗外的玫瑰花園里吹進來。

「怎麼樣？」他俯下身子仔細看了看，乙醚液面並沒有明顯的下降，「看來你這一萬效率並不高啊。」

妖精甚至沒有現身，只是扯著嗓子大喊著：

「您自己試試看就知道啦，先生，槍林彈雨哪，哎喲！對，我是說，能站穩腳跟就不錯啦，
哎呦！哎喲！嗨，我聽說，西部牛仔乾的就是這活兒，行啦，不跟您說啦！」

麥克斯韋先生搖搖頭，這時瑪麗從後面靠上來，柔聲說道：

「你看上去挺失望，詹？」

「可能有一點。」他轉過身，輕吻妻子芬芳的卷發，「我們的妖精雖說不上精細靈巧，可也挺賣力的呢。」

「我們的？」瑪麗沖他頑皮地眨眨眼睛。當丈夫離開實驗室去書房的時候，她小心地拉上窗簾，將早上明媚溫暖的陽光擋在外面，以免影響了實驗精度。

當他們傍晚散步歸來的時候，終於看到了一點成果——瓶子那邊的溫度確實有升高，但是遠遠不夠。

他們心平氣和地坐在旁邊等待著。巨大的時鍾敲響了九點正，隨著砰地一聲響，妖精氣咻咻地將他那扁平的鼻子貼在玻璃瓶內壁上。

「我認輸了！」他聲音嘶啞地說，「快放我出去。」

瑪麗十分體貼地端來麵包卷和熱咖啡，妖精狼吞虎咽了一番，總算恢復了精神。

「我可從來沒干過這么累人的活兒，真想讓您找個機會親自試試。」

麥克斯韋先生笑眯眯地叼著雪茄，臉上流露出好奇的表情。

「我想那一定挺有意思。」他邊說邊取出那捲長長的寫在羊皮紙上的契約書，妖精神情沮喪
地簽上他笨拙的字體表示新的主僕關系生效。

「以後我就聽您的了。」他把一隻手放到嘴裡，開始輪番咬指甲，「不過您能不能給我解釋一下剛才是怎麼回事？總有什麼科學原理的，對吧？您給我講講。」

麥克斯韋先生撓了撓腦袋，站起來說：

「好吧，你跟我到書房來，有幾本書是我自己寫的，可以先補充點基礎的……」

他摟著妖精寬大的肩膀走出去了，瑪麗嘆口氣，柔順地把滿桌杯子盤子收成一摞，本來早就想好這些事情從此可以拜託妖精乾的。無論如何，今後的生活看起來相當值得期待。

這就是麥克斯韋先生怎樣輕易地制服了妖精，或者換個角度來說，這位因為遇見了阿基米德，從而決定了之後的幾千年中一系列悲慘遭遇的妖精科魯耐里亞斯•古斯塔夫•龍佩爾斯迪爾欽，是怎樣又一次不幸失敗的故事，但是這個故事到這里還沒有完全結束。

當麥克斯韋先生及其夫人先後去世後，他們在天堂的角落裡種了一小片玫瑰，一時間再沒有什麼物理研究來打擾他們清閑而寧靜的生活，不過心地善良的妖精偶爾會來看看他們。

「你帶來了什麼？」麥克斯韋先生坐在椅子里問，他的妻子儀態溫婉地站在一邊，姿勢和位置都和他們生前所習慣的沒有區別。

「一張照片，先生，太太。」妖精把那張薄薄的光滑的紙片從背後拿出來，神情有些扭捏，「是我照的。」

麥克斯韋先生把照片舉到眼前細細地看，上面是一些他不認識的人。

「讓我猜猜……哪個是你現在的主人？或者說，是誰看了我的手稿？」

「前排，中間那個，先生，不，再往左邊，您相信嗎？那時候他才十六歲，我算是看著他長大的。」妖精邊嘆氣邊說，「別看他現在這么邋裡邋遢，頭發跟閃電打過似的，當年可是個英俊少年。」

「他都讓你干什麼了？」麥克斯韋先生好奇地問。

「他說跟我說：『諾，你追著這束光跑，能跑多快跑多快，等你追上它的時候別忘了告訴我你看到了什麼。』你說說，這是人乾的事嗎？」

「當然，當然……」麥克斯韋先生沉思著，「我認為這個想法很了不起，眾所周知，光速是不變的，這我早就證明啦。」⑧

「我不太明白。」麥克斯韋夫人柔聲說，「聽上去是挺難為人的。」

「還有更過分的哪，太太。」妖精眨巴著眼睛，亮晶晶的淚水在裡面打著轉，「您再看這位先
生，背著我不知道搞了什麼鬼名堂，然後拿出個盒子神秘兮兮地讓我鑽進去。我可從您這
兒學乖啦，鄭重建議他放只貓進去試試，我們兩個打賭會發生點什麼，結果到現在都不知道那可憐的小傢伙是死是活。」⑨

「我沒聽明白。」麥克斯韋先生說。

「以後您會明白的，這跟您以前研究的東西不太一樣。」妖經略有幾分得意地回答，「最關鍵的是這個老傢伙，對，我就是要說他，他給我講了一上午的物質結構，還笑眯眯地拍著我的肩膀誇我學得挺快，到最後拿著紅筆往滿黑板亂七八糟的圖上圈了兩個小球，然後說：『好吧，你能讓它們朝同一個方向轉我就服了你。』」 ⑩

麥克斯韋先生疑惑地搖搖頭，顯然，這都不是他研究領域內的東西，但是無疑重新激起了他對於物理學的興趣。

「我會在今天下午的茶會上提出這些問題，你願意參加嗎？或許，你想見見你以前的主人們，現在你所知道的東西已經超過我們了。」

「他們都會來嗎？」妖精有幾分怯怯地問。

「大多數都會來，如果阿基米德先生沒有忘了時間，而牛頓先生又沒有身體不適的話，⑾我們每天下午都會在一起喝茶，這個傳統延續幾千年了。」

「阿基米德先生？你是說阿基米德先生？」妖精抓起他從不離身的尖頂帽從椅子里跳起來，緊張不安地向四周張望著，「哦，不了，謝謝您的好意，但是我想我還是走吧。」

「太遺憾了，你真的這么不想見到他嗎？」麥克斯韋先生站起來把妖精到門口，「那麼你能不能告訴我，他到底問了你什麼問題？我猜了很久都沒猜出來。」

妖精回過頭，天堂寧靜的午後陽光鋪灑在他毛茸茸的耳朵和悲傷的黃眼睛上，是如此溫暖寧靜，但他仍然笨拙地縮了縮脖子，彷彿仍不禁在那位容易激動的老人激昂的氣勢威懾之下打了個寒戰似的。

「其實他是個老好人，有時候我還真挺想念他的。」他回答道，「可是他不該沖著我喊：『給我一個支點！』這可是連上帝都沒法辦到的事情啊。」⑿

註：
①這確實是一個作者本人拼湊的，非常古老的德國姓氏，其中龍佩爾斯迪爾欽這個姓來源於《格林童話•矮子精》，故事中的矮子精讓王後猜他的姓，如果猜不出就要把她的孩子抱走。

②阿基米德死於戰亂，這是大家都知道的，當時羅馬軍隊攻陷敘拉古城，沖進他的房間，那時候他正在做數學題，並且平靜地說：「讓我把這道題做完。」這時一個憤怒的羅馬士兵殺死了他。

③這是用來檢驗容器氣密性的簡易方法，用手掌對容器加熱，看有沒有氣泡漏出來。

④ 二氧化硅的晶體結構是呈立體的蜂巢形的，每兩個硅原子間的共價鍵上接一個氧原
子，不過嚴格說來，玻璃並不是由純凈的二氧化硅所組成的。

⑤ 乙醚蒸汽在醫學上可以用作麻醉氣體，但是在這里主要運用了它沸點低的特性。

⑥ 「麥克斯韋妖」的原理，不用作進一步解釋。

⑦ 這個就是那個我們熱學課本里的重點——變態的「麥克斯韋分布律」，一個有關於不同速率的分子的概率分布情況的方程式，我直到現在也沒搞清楚這是怎麼推出來的。

⑧ 愛因斯坦最早提出相對論的構想就是在十六歲，他在一篇論文里寫道：「如果能夠以光速前進，就能看到周圍存在著靜止的，同時又是振盪的電磁波，這真是一件奇妙的矛盾。」而這一構想是以根據麥克斯韋的光速不變理論而來的。

⑨ 薛定諤的貓……這個好像地球人都知道我就不解釋了，為那隻貓默哀一分鍾……

⑩ 泡利不相容原理，認為對於費米子而言，存在於同一個能級上的兩個電子一定自旋方向相反，這個好像高中的化學課本裡面有。

⑾ 牛頓晚年時健康惡化，患有厭食、失眠等嚴重症狀，並且有間發性的受迫害狂想症，於1727年因病去世。

⑿阿基米德的名言：「給我一個支點，我就能撬動地球！」

『叄』 愛因斯坦的成長的這篇短文的第二自然段寫了哪幾個內容

愛因斯坦的成長過程說明,人的智力雖然有天生的差別,但起決定作用的,還是後天的教育和發掘,還是靠勤奮學習。

『肆』 有誰能告訴我第二個愛因斯坦在那麼

要是有他那樣的成就不容易了，現在科學日趨完善，想達到他那樣的成就就要比他更天才；要是有他那麼有天賦還是有可能的，他也是人嘛，不過是誰就不能預測了，中國當然有可能出，不過更可能出本土的諾貝爾獲得者。

『伍』 愛恩斯坦 《狹義相對論》原文

狹義相對論就是
狹義相對論是建立在四維時空觀上的一個理論，因此要弄清相對論的內容，要先對相對論的時空觀有個大體了解。在數學上有各種多維空間，但目前為止，我們認識的物理世界只是四維，即三維空間加一維時間。現代微觀物理學提到的高維空間是另一層意思，只有數學意義，在此不做討論。
四維時空是構成真實世界的最低維度，我們的世界恰好是四維，至於高維真實空間，至少現在我們還無法感知。一把尺子在三維空間里（不含時間）轉動，其長度不變，但旋轉它時，它的各坐標值均發生了變化，且坐標之間是有聯系的。四維時空的意義就是時間是第四維坐標，它與空間坐標是有聯系的，也就是說時空是統一的，不可分割的整體，它們是一種」此消彼長」的關系。
四維時空不僅限於此，由質能關系知，質量和能量實際是一回事，質量（或能量）並不是獨立的，而是與運動狀態相關的，比如速度越大，質量越大。在四維時空里，質量（或能量）實際是四維動量的第四維分量，動量是描述物質運動的量，因此質量與運動狀態有關就是理所當然的了。在四維時空里，動量和能量實現了統一，稱為能量動量四矢。另外在四維時空里還定義了四維速度，四維加速度，四維力，電磁場方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場方程組的四維形式更加完美，完全統一了電和磁，電場和磁場用一個統一的電磁場張量來描述。四維時空的物理定律比三維定律要完美的多，這說明我們的世界的確是四維的。可以說至少它比牛頓力學要完美的多。至少由它的完美性，我們不能對它妄加懷疑。
相對論中，時間與空間構成了一個不可分割的整體——四維時空，能量與動量也構成了一個不可分割的整體——四維動量。這說明自然界一些看似毫不相乾的量之間可能存在深刻的聯系。在今後論及廣義相對論時我們還會看到，時空與能量動量四矢之間也存在著深刻的聯系。
物質在相互作用中作永恆的運動，沒有不運動的物質，也沒有無物質的運動，由於物質是在相互聯系，相互作用中運動的，因此，必須在物質的相互關系中描述運動，而不可能孤立的描述運動。也就是說，運動必須有一個參考物，這個參考物就是參考系。
伽利略曾經指出，運動的船與靜止的船上的運動不可區分，也就是說，當你在封閉的船艙里，與外界完全隔絕，那麼即使你擁有最發達的頭腦，最先進的儀器，也無從感知你的船是勻速運動，還是靜止。更無從感知速度的大小，因為沒有參考。比如，我們不知道我們整個宇宙的整體運動狀態，因為宇宙是封閉的。愛因斯坦將其引用，作為狹義相對論的第一個基本原理：狹義相對性原理。其內容是：慣性系之間完全等價，不可區分。
著名的麥克爾遜--莫雷實驗徹底否定了光的以太學說，得出了光與參考系無關的結論。也就是說，無論你站在地上，還是站在飛奔的火車上，測得的光速都是一樣的。這就是狹義相對論的第二個基本原理，光速不變原理。
由這兩條基本原理可以直接推導出相對論的坐標變換式，速度變換式等所有的狹義相對論內容。比如速度變幻，與傳統的法則相矛盾，但實踐證明是正確的，比如一輛火車速度是10m/s，一個人在車上相對車的速度也是10m/s，地面上的人看到車上的人的速度不是20m/s，而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情況下，這種相對論效應完全可以忽略，但在接近光速時，這種效應明顯增大，比如，火車速度是0。99倍光速，人的速度也是0。99倍光速，那麼地面觀測者的結論不是1。98倍光速，而是0。999949倍光速。車上的人看到後面的射來的光也沒有變慢，對他來說也是光速。因此，從這個意義上說，光速是不可超越的，因為無論在那個參考系，光速都是不變的。速度變換已經被粒子物理學的無數實驗證明，是無可挑剔的。正因為光的這一獨特性質，因此被選為四維時空的唯一標尺。

『陸』 愛因斯坦寫過哪些書

• 論文以及學術文章：
  《由毛細管現象得到的推論》；《關於熱平衡和熱力學第二定律的運動論》；《分子大小的新測定法》；《論動體的電動力學》；《關於對性原理和由此得出的結論》；《我們關於輻射的本質和結論的觀點的發展》；《廣義相對論綱要和引力理論》；《廣義相對論的基礎》；《關於輻射的量子理論》；《引力方程和運動問題》；《卡魯查電學理論的推廣》；《關於理論物理學基礎的考查》；《相對論和空間問題》；《關於一些基本概論的緒論》；《狹義和廣義相對論淺說》；《以太和相對論》；《幾何學和經驗》；《非歐幾里德幾何和物理學》；《牛頓力學及其對理論物理學發展的影響》；《物理學的基本概念至其最近的變化》；《統一場論》

• 其他著作：《自述片斷》——回憶青年時代的學習和科學探索的道路
  《告文明世界書》——反對德國文化界名流為戰爭辯護的宣言的報告
  《我的世界觀》；《宗教和科學》；《麥克斯韋對物理實在觀念發展的影響》；《物理學和實在》；《論教育》通俗冊子；《物理學的進化》；《科學和宗教》；《量子力學和實在》；《為什麼要社會主義》；《奧林匹亞科學院頌詞》
  

『柒』 愛因斯坦的作品

中文名： 阿爾伯特·愛因斯坦
外文名： Albert Einstein
國籍： 美國，瑞士
民族： 猶太族
出生地： 德國烏爾姆市
出生日期： 1879年3月14日
逝世日期： 1955年4月18日
職業： 物理學家，哲學家
畢業院校： 蘇黎世聯邦理工學院
主要成就： 提出相對論及質能方程
解釋光電效應
推動量子力學的發展
代表作品： 《論動體的電動力學》，《廣義相對論的基礎》

簡介：

愛因斯坦1900年畢業於蘇黎世聯邦理工學院，入瑞士國籍。1905年獲蘇黎世大學哲學博士學位。曾在伯爾尼專利局任職。蘇黎世工業大學、布拉格德意志大學教授。1913年返德國，任柏林威廉皇帝物理研究所所長和柏林洪堡大學教授，並當選為普魯士科學院院士。1933年因受納粹政權迫害，遷居美國，任普林斯頓高級研究所教授，從事理論物理研究，1940年入美國國籍。有一句熟悉的格言是「任何事都是相對的。」但愛因斯坦的理論不是這一哲學式陳詞濫調的重復，而更是一種精確的用數學表述的方法。此方法中，科學的度量是相對的。顯而易見，對於時間和空間的主觀感受依賴於觀測者本身。
在愛因斯坦小的時候，有一天德皇軍隊通過慕尼黑的市街，好奇的人們都湧向窗前喝彩助興，小孩子們則為士兵發亮的頭盔和整齊的腳步而嚮往，但愛因斯坦卻恐懼得躲了起來，他既瞧不起又害怕這些「打仗的妖怪」，並要求他的母親把他帶到自己永遠也不會變成這種妖怪的國土去。中學時愛因斯坦放棄了德國國籍，可他並不申請加入義大利國籍，他要做一個不要任何依附的世界公民……大戰過後，愛因斯坦試圖在現實的基礎上建立他的世界和平的夢想，並且在「敵國」里作了一連串「和平」演說。他的思想和行動，使他險遭殺身之禍：一個抱有帝國主義野心的俄國貴族女刺客把槍口偷偷對准了他；德國右翼刺客們的黑名單上也出現了阿爾伯特·愛因斯坦的名字；希特勒懸賞兩萬馬克要他的人頭。為了使自己與這個世界保持「和諧」，愛因斯坦不得不從義大利遷到荷蘭，又從荷蘭遷居美國，而且加入了美國國籍。他認為，在美國這個國度里，各階級的人們都能在勉強過得去的友誼中共存下去。 （節選自《應用寫作》學術月刊1985年第5-6期《愛因斯坦的反省》）
十九世紀末期是物理學的大變革時期，愛因斯坦從實驗事實出發，重新考查了物理學的基本概念，在理論上作出了根本性的突破。他的一些成就大大推動了天文學的發展。他的廣義相對論對天體物理學、特別是理論天體物理學有很大的影響。愛因斯坦的狹義相對論成功地揭示了能量與質量之間的關系，堅守著「上帝不擲骰子」的量子論詮釋（微粒子振動與平動的矢量和）的決定論陣地，解決了長期存在的恆星能源來源的難題。近年來發現越來越多的高能物理現象，狹義相對論已成為解釋這種現象的一種最基本的理論工具。其廣義相對論也解決了一個天文學上多年的不解之謎——水星近日點的近動[這是牛頓引力理論無法解釋的]，並推斷出後來被驗證了的光線彎曲現象，還成為後來許多天文概念的理論基礎。
2009年10月4日，諾貝爾基金會評選「1921年物理學獎得主愛因斯坦」為諾貝爾獎百餘年歷史上最受尊崇的3位獲獎者之一。（其他兩位是1964年和平獎得主馬丁路德金、1979年和平獎得主德蘭修女。）

成長旅程：

1879年3月14日上午11時30分，愛因斯坦出生在德國烏爾姆市（Ulm, Kingdom of Württemberg, German Empire）班霍夫街135號。父母都是猶太人。父名赫爾曼·愛因斯坦，母親玻琳。
1881年11月18日，愛因斯坦的妹妹瑪雅在慕尼黑出生。
1884年，愛因斯坦對袖珍羅盤著迷。
1885年，愛因斯坦開始學小提琴。
1886年，愛因斯坦在慕尼黑公立學校（Council School）讀書；在家裡學習猶太教的教規。
1888年，愛因斯坦入路易波爾德高級中學學習。在學校繼續受宗教教育，接受受戒儀式。弗里德曼是指導老師。
1889年，在醫科大學生塔爾梅引導下，讀通俗科學讀物和哲學著作。
1891年，自學歐幾里德幾何學（Euclidean geometry），感到狂熱的喜愛，同時開始自學高等數學。
1892年，開始讀康德（Immanuel Kant）的著作。 1895年，自學完微積分（calculous）。
1896年，獲阿勞中學畢業證書。10月，進蘇黎世聯邦工業大學師范系學習物理。 愛因斯坦
1899年10月19日，愛因斯坦正式申請瑞士公民權。
1900年8月愛因斯坦畢業於蘇黎世聯邦工業大學；12月完成論文《由毛細管現象得到的推論》，次年發表在萊比錫《物理學雜志》上並入瑞士籍。
1901年3月21日，取得瑞士國籍。在這一年5－7月完成電勢差的熱力學理論的論文。
1904年9月，由專利局的試用人員轉為正式三級技術員。
1905年3月，發展量子論，提出光量子假說，解決了光電效應問題。4月向蘇黎世大學提出論文《分子大小的新測定法》，取得博士學位。5月完成論文《論動體的電動力學》，獨立而完整地提出狹義相對性原理，開創物理學的新紀元。
1906年4月，晉升為專利局二級技術員。11月完成固體比熱的論文，這是關於固體的量子論的第一篇論文。 1908年10月兼任伯爾尼大學編外講師。
1909年10月，離開伯爾尼專利局，任蘇黎世大學理論物理學副教授。愛因斯坦
1910年10月，完成關於臨界乳光的論文。
1912年提出「光化當量」定律。
1913年他返德國，任柏林威廉皇帝物理研究所長和柏林洪堡大學教授，並當選為普魯士科學院院士。
1914年4月，愛因斯坦接受德國科學界的邀請，遷居到柏林，
8月 即爆發了第一次世界大戰。他雖身居戰爭的發源地，生活在戰爭鼓吹者的包圍之中，卻堅決地表明了自己的反戰態度。
9月 愛因斯坦參與發起反戰團體「新祖國同盟」，在這個組織被宣布為非法、成員大批遭受逮捕和迫害而轉入地下的情況下，愛因斯坦仍堅決參加這個組織的秘密活動。
10月 德國的科學界和文化界在軍國主義分子的操縱和煽動下，發表了「文明世界的宣言」，為德國發動的侵略戰爭辯護，鼓吹德國高於一切，全世界都應該接受「真正德國精神」。在「宣言」上簽名的有九十三人，都是當時德國有聲望的科學家、藝術家和牧師等。就連能斯脫、倫琴、奧斯特瓦爾德、普朗克等都在上面簽了字。當徵求愛因斯坦簽名時，他斷然拒絕了，而同時他卻毅然在反戰的《告歐洲人書》上簽上自己的名字。這一舉動震驚了全世界。
1915年11月，提出廣義相對論引力方程的完整形式，並且成功地解釋了水星近日點運動。 愛因斯坦
1916年3月，完成總結性論文《廣義相對論的基礎》。5月提出宇宙空間有限無界的假說。8月完成《關於輻射的量子理論》，總結量子論的發展，提出受激輻射理論。
1917年，列寧領導的蘇聯社會主義革命勝利後，愛因斯坦熱情地支持這個偉大的革命，贊揚這是一次對全世界將有決定性意義的、偉大的社會實驗並表示：「我尊敬列寧，因為他是一位有完全自我犧牲精神，全心全意為實現社會正義而獻身的人。我並不認為他的方法是切合實際的，但有一點可以肯定：像他這種類型的人，是人類良心的維護者和再造者。」
1918年11月，德國工人和士兵在俄國十月革命勝利的影響和鼓舞下，發動起義，推翻了德皇威廉二世下台第三天，愛因斯坦寄給他的母親連續寫了兩張明信片，歡呼「偉大的事變發生了……親身經歷了這個事變是多麼榮幸！」 二十年代到三十年代初期，愛因斯坦基本是個絕對的和平主義者。但侵略和掠奪戰爭不斷發生的現實，打破了他美好的夢想。特別是1933年希特勒上台後，德國日益法西斯化，使愛因斯坦意識到新的野蠻戰爭不可避免，促使他改變了自己的觀點。他明確表示：「當法律和人類尊嚴必需保衛時，我們一定要戰斗。自從法西斯的危險到來後，現在我不再相信絕對的被動的和平主義是有效的了。只要法西斯主義統治歐洲，那就不會有和平。」 由於愛因斯坦的進步活動，又因為他是猶太人，因而被德國納粹分子列為重要的迫害對象，幸而他1932年底離開德國到美國講學，才未遭毒手。他在柏林的住屋被查抄和搗毀，他的財產被沒收，他的著作被焚毀，納粹還懸賞二萬馬克要殺害他。面對納粹分子暗殺的危險，愛因斯坦沒有絲毫的畏懼，而是更堅定地戰斗。當他的摯友勞厄寫信勸他對政治問題採取明哲保身的態度時，他不顧個人安危，大聲疾呼，指出法西斯就意味著戰爭，和平必須用武裝來保衛，呼籲美國人民起來同法西斯作斗爭。 當愛因斯坦後來從無線電廣播知道美國對廣島、長崎投下原子彈，殺傷許多平民時他感到非常痛心。他後來寫了一封告美國公民書，說：「我們將此種巨大力量解放的科學家們，對於一切事物都要優先負起責任，必須限制原子能絕對不能使用來殺害全人類，而是用來增進人類的幸福方面。」
1919年 愛因斯坦的理論被視為「人類思想史中最偉大的成就之一」。12月，接受德國唯一的名譽學位：羅斯托克大學的醫學博士學位。
1921年4月2日到5月30日間，為了給耶路撒冷的希伯萊大學的創建籌集資金，同魏茨曼一起首次訪問美國。
1922年1月，完成關於統一場論的第一篇論文。7月受到被謀殺的威脅，暫離柏林。10月8日，愛因斯坦和艾爾莎在馬賽乘輪船赴日本。沿途訪問科倫坡、新加坡、香港和上海。11月9日，在去日本途中，愛因斯坦因對光電效應作出解釋而被授予1921年「諾貝爾物理學獎」。11月17日－12月29日，訪問日本。
1923年7月，到哥德堡接受1921年度諾貝爾獎金。12月，第一次推測量子效應可能來自過度約束的廣義相對論場方程。
1924年，發現了「波色－愛因斯坦凝聚」。
1925年以後，愛因斯坦全力以赴去探索統一場論。開頭幾年他非常樂觀，以為勝利在望；後來發現困難重重，他認為現有的數學工具不夠用。
1925年－1955年這30年中，除了關於量子力學的完備性問題、引力波以及廣義相對論的運動問題以外，愛因斯坦幾乎把他全部的科學創造精力都用於統一場論的探索。
1926年，被選為蘇聯科學院院士。
1928年以後轉入純數學的探索。他嘗試著用各種方法，但都沒有取得具有真正物理意義的結果。
1月，被選為「德國人權同盟」（前身為德國「新祖國同盟」）理事。
1929年3月，50歲生日，躲到郊外以避免生日慶祝會。6月28日獲「普朗克獎章」。
1930年12月11日至1931年3月4日，愛因斯坦第二次到美國訪問，在加利福尼亞州理工學院講學。
1932年7月，同弗洛伊德通信，討論戰爭的心理問題；號召德國人民起來保衛魏瑪共和國，全力反對法西斯。
1933年1月30日，納粹上台。
3月10日，在帕莎第納發表不回德國的聲明，次日啟程回歐洲。
3月20日，納粹搜查他的房屋，他發表抗議。後他在德國的財產被沒收，著作被焚。
1935年5月，在百慕大正式申請永遠在美國居住。是年，為使諾貝爾獎金（和平獎）贈予被關在納粹集中營中的奧西茨基，而四處奔走。
1937年3月聲援中國「七君子」。
1937年，在兩個助手合作下，他從廣義相對論的引力場方程推導出運動方程，進一步揭示了空間——時間、物質、運動之間的統一性，這是廣義相對論的重大發展，也是愛因斯坦在科學創造活動中所取得的最後一個重大成果。 在統一場理論方面，他始終沒有成功，他從不氣餒，每次都滿懷信心的從頭開始。由於他遠離了當時物理學研究的主流，獨自去進攻當時沒有條件解決的難題，因此，同20年代的處境相反，他晚年在物理學界非常孤立。可是他依然無所畏懼，毫不動搖地走他自己所認定的道路，直到臨終前一天，他還在病床上准備繼續他的統一場理論的數學計算。 愛因斯坦熱愛科學，也熱愛人類。他沒有因為埋頭於科學研究而把自己置於社會之外，一直關心著人類的文明和進步，並為之頑強、勇敢地戰斗。他說過：「人只有獻身於社會，才能找出那實際上是短暫而又有風險的生命的意義」，他自己正是這樣去做的。
1938年9月，給五千年後的子孫寫信，對資本主義社會現狀表示不滿。
1939年8月2日，上書羅斯福總統，建議美國抓緊原子能研究，防止德國搶先掌握原子彈。
1940年5月22日，他致電羅斯福，反對美國的中立政策。
10月1日取得美國國籍。
1943年5月，作為科學顧問參與美國海軍部工作。
1944年，他為支持反法西斯戰爭，以600萬美元拍賣1905年狹義相對論論文手稿。
1947年，他繼續發表大量關於世界政府的言論。
1949年1月，寫《對批評的回答》，對哥本哈根學派在文集《阿爾伯特·愛因斯坦：哲學家—科學家》中的批判進行反批判。
1950年2月13日，他發表電視演講，反對美國製造氫彈。3月18日，在遺囑上簽字蓋章。
1951年，連續發表文章和信件，指出美國的擴軍備戰政策是世界和平的嚴重障礙。
1952年11月，以色列第1任總統魏斯曼死後，以色列政府請他擔任第2任總統，被拒絕。
1954年3月，他被美國參議員麥卡錫公開斥責為「美國的敵人」。
1955年，愛因斯坦與羅素聯名發表了反對核戰爭和呼籲世界和平的《羅素—愛因斯坦宣言》。
1955年4月18日1時25分，他在醫院逝世。 漫長艱難的探索廣義相對論建成後，愛因斯坦依然感到不滿足，要把廣義相對論再加以推廣，使它不僅包括引力場，也包括電磁場。他認為這是相對論發展的第三個階段，即統一場論。

還有很多
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『捌』 誰有愛因斯坦《相對論》原文（中文譯版） 有的發郵箱[email protected]

愛因斯坦相對論
狹義相對論
愛因斯坦第二假設
愛因斯坦第二假設--時間和空間
伽瑪參數
宇宙執法者的歷險
宇宙執法者的歷險--微妙的時間
質量和能量 光速極限
廣 義相對論基本概念
愛因斯坦第三假設
愛因斯坦第四假設
宇宙幾何
愛因斯坦第一假設
全部狹義相對論主要基於愛因斯坦對宇宙本性的兩個假設。
第一個可以這樣陳述：
所有慣性參照系中的物理規律是相同的
此處唯一稍有些難懂的地方是所謂的「慣性參照系」。舉幾個例子就可以解釋清楚：
假設你正在一架飛機上，飛機水平地以每小時幾百英里的恆定速度飛行，沒有任何顛簸。一個人從機艙那邊走過來，說：「把你的那袋花生扔過來好嗎？」你抓起花生袋，但突然停了下來，想道：「我正坐在一架以每小時幾百英里速度飛行的飛機上，我該用多大的勁扔這袋花生，才能使它到達那個人手上呢？」
不，你根本不用考慮這個問題，你只需要用與你在機場時相同的動作（和力氣）投擲就行。花生的運動同飛機停在地面時一樣。
你看，如果飛機以恆定的速度沿直線飛行，控制物體運動的自然法則與飛機靜止時是一樣的。我們稱飛機內部為一個慣性參照系。（「慣性」一詞原指牛頓第一運動定律。慣性是每個物體所固有的當沒有外力作用時保持靜止或勻速直線運動的屬性。慣性參照系是一系列此規律成立的參照系。
另一個例子。讓我們考查大地本身。地球的周長約40，000公里。由於地球每24小時自轉一周，地球赤道上的一點實際上正以每小時1600公里的速度向東移動。然而我敢打賭說Steve Young在向Jerry Rice（二人都是橄欖球運動員。譯者注）觸地傳球的時候，從未對此擔心過。這是因為大地在作近似的勻速直線運動，地球表面幾乎就是一個慣性參照系。因此它的運動對其他物體的影響很小，所有物體的運動都表現得如同地球處於靜止狀態一樣。
實際上，除非我們意識到地球在轉，否則有些現象會是十分費解的。（即，地球不是在沿直線運動，而是繞地軸作一個大的圓周運動）
例如：天氣（變化）的許多方面都顯得完全違反物理規律，除非我們對此（地球在轉）加以考慮。另一個例子。遠程炮彈並非象他們在慣性系中那樣沿直線運動，而是略向右（在北半球）或向左（在南半球）偏。（室外運動的高爾夫球手們，這可不能用於解釋你們的擦邊球）對於大多數研究目的而言，我們可以將地球視為慣性參照系。但偶爾，它的非慣性表徵將非常嚴重（我想把話說得嚴密一些）。
這里有一個最低限度：愛因斯坦的第一假設使此類系中所有的物理規律都保持不變。運動的飛機和地球表面的例子只是用以向你解釋這是一個平日里人們想都不用想就能作出的合理假設。誰說愛因斯坦是天才？
愛因斯坦第二假設
19世紀中頁人們對電和磁的理解有了一個革命性的飛躍，其中以詹姆斯.麥克斯韋（James Maxwell）的成就為代表。電和磁兩種現象曾被認為毫不相關，直到奧斯特（Oersted）和安培（Ampere）證明電能產生磁；法拉弟（Faraday）和亨利（Henry）證明磁能產生電。現在我們知道電和磁的關系是如此緊密，以致於當物理學家對自然力進行列表時，常常將電和磁視為一件事。
麥克斯韋的成就在於將當時所有已知的電磁知識集中於四個方程中：
（如果你沒有上過理解這些方程所必需的三到四個學期的微積分課程，那麼就坐下來看它們幾分鍾，欣賞一下其中的美吧）
麥克斯韋方程對於我們的重要意義在於，它除了將所有人們已知的電磁知識加以描述以外，還揭示了一些人們不知道的事情。例如：構成這些方程的電磁場可以以振動波的形式在空間傳播。當麥克斯韋計算了這些波的速度後，他發現它們都等於光速。這並非巧合，麥克斯韋（方程）揭示出光是一種電磁波。
我們應記住的一個重要的事情是：光速直接從描述所有電磁場的麥克斯韋方程推導而來。
現在我們回到愛因斯坦。
愛因斯坦的第一個假設是所有慣性參照系中的物理規律相同。他的第二假設是簡單地將此原則推廣到電和磁的規律中。這就是，如果麥克斯韋假設是自然界的一種規律，那麼它（和它的推論）都必須在所有慣性系中成立。這些推論中的一個就是愛因斯坦的第二假設：光在所有慣性系中速度相同
愛因斯坦的第一假設看上去非常合理，他的第二假設延續了第一假設的合理性。但為什麼它看上去並不合理呢？
火車上的試驗
為了說明愛因斯坦第二假的合理性，讓我們來看一下下面這副火車上的圖畫。 火車以每秒100，000，000米/秒的速度運行，Dave站在車上，Nolan站在鐵路旁的地面上。Dave用手中的電筒「發射」光子。
光子相對於Dave以每秒300,000,000米/秒的速度運行，Dave以100,000,000米/秒的速度相對於Nolan運動。因此我們得出光子相對於Nolan的速度為400,000,000米/秒。
問題出現了：這與愛因斯坦的第二假設不符！愛因斯坦說光相對於Nolan參照系的速度必需和Dave參照系中的光速完全相同，即300，000，000米/秒。那麼我們的「常識感覺」和愛因斯坦的假設那一個錯了呢？
好，許多科學家的試驗（結果）支持了愛因斯坦的假設，因此我們也假定愛因斯坦是對的，並幫大家找出常識相對論的錯誤之處。
記得嗎？將速度相加的決定來得十分簡單。一秒鍾後，光子已移動到Dave前300，000，000米處，而Dave已經移動到Nolan前100，000，000米處。其間的距離不是400，000，000米只有兩種可能：
1、 相對於Dave的300，000，000米距離對於Nolan來說並非也是300，000，000米
2、 對Dave而言的一秒鍾和對Nolan而言的一秒鍾不同
盡管聽起來很奇怪，但兩者實際上都是正確的。
愛因斯坦第二假設
時間和空間
我們得出一個自相矛盾的結論。我們用來將速度從一個參照系轉換到另一個參照系的「常識相對論」和愛因斯坦的「光在所有慣性系中速度相同」的假設相抵觸。只有在兩種情況下愛因斯坦的假設才是正確的：要麼距離相對於兩個慣性系不同，要麼時間相對於兩個慣性系不同。
實際上，兩者都對。第一種效果被稱作「長度收縮」，第二種效果被稱作「時間膨脹」。
長度收縮：
長度收縮有時被稱作洛倫茨（Lorentz）或洛倫茨－弗里茨格拉德（FritzGerald）收縮。在愛因斯坦之前,洛倫茨和弗里茨格拉德就求出了用來描述（長度）收縮的數學公式。但愛因斯坦意識到了它的重大意義並將其植入完整的相對論中。這個原理是： 參照系中運動物體的長度比其靜止時的長度要短下面用圖形說明以便於理解：
上部圖形是尺子在參照系中處於靜止狀態。一個靜止物體在其參照系中的長度被稱作他的「正確長度」。一個碼尺的正確長度是一碼。下部圖中尺子在運動。用更長、更准確的話來講：我們相對於某參照系，發現它（尺子）在運動。長度收縮原理指出在此參照系中運動的尺子要短一些。
這種收縮並非幻覺。當尺子從我們身邊經過時，任何精確的試驗都表明其長度比靜止時要短。尺子並非看上去短了，它的確短了！然而，它只在其運動方向上收縮。下部圖中尺子是水平運動的，因此它的水平方向變短。你可能已經注意到，兩圖中垂直方向的長度是一樣的。
時間膨脹：
所謂的時間膨脹效應與長度收縮很相似，它是這樣進行的：
某一參照系中的兩個事件，它們發生在不同地點時的時間間隔
總比同樣兩個事件發生在相同地點的時間間隔長。
這更加難懂，我們仍然用圖例加以說明：
圖中兩個鬧鍾都可以用於測量第一個鬧鍾從A點運動到B點所花費的時間。然而兩個鬧鍾給出的結果並不相同。我們可以這樣思考：我們所提到的兩個事件分別是「鬧鍾離開A點」和「鬧鍾到達B點」。在我們的參照系中，這兩個事件在不同的地點發生（A和B）。然而，讓我們以上半圖中鬧鍾自身的參照系觀察這件事情。從這個角度看，上半圖中的鬧鍾是靜止的（所有的物體相對於其自身都是靜止的），而刻有A和B點的線條從右向左移動。因此「離開A點」和「到達B點」著兩件事情都發生在同一地點！（上半圖中鬧鍾所測量的時間稱為「正確時間」）按照前面提到的觀點，下半圖中鬧鍾所記錄的時間將比上半圖中鬧鍾從A到B所記錄的時間更長。
此原理的一個較為簡單但不太精確的陳述是：運動的鍾比靜止的鍾走得更慢。最著名的關於時間膨脹的假說通常被成為雙生子佯謬。假設有一對雙胞胎哈瑞和瑪麗，瑪麗登上一艘快速飛離地球的飛船（為了使效果明顯，飛船必須以接近光速運動），並且很快就返回來。我們可以將兩個人的身體視為一架用年齡計算時間流逝的鍾。因為瑪麗運動得很快，因此她的「鍾」比哈瑞的「鍾」走得慢。結果是，當瑪麗返回地球的時候，她將比哈瑞更年輕。年輕多少要看她以多快的速度走了多遠。
時間膨脹並非是個瘋狂的想法，它已經為實驗所證實。最好的例子涉及到一種稱為介子的亞原子粒子。一個介子衰變需要多少時間已經被非常精確地測量過。無論怎樣，已經觀測到一個以接近光速運動的介子比一個靜止或緩慢運動的介子的壽命要長。這就是相對論效應。從運動的介子自身來看，它並沒有存在更長的時間。這是因為從它自身的角度看它是靜止的；只有從相對於實驗室的角度看該介子，我們才會發現其壽命被「延長」或「縮短」了。?
應該加上一句：已經有很多很多的實驗證實了相對論的這個推論。（相對論的）其他推論我們以後才能加以證實。我的觀點是，盡管我們把相對論稱作一種「理論」，但不要誤認為相對論有待於證實，它（實際上）是非常完備的。
伽瑪參數（γ）
現在你可能會奇怪：為什麼你在日常生活中從未注意到過長度收縮和時間膨脹效應？例如根據剛才我所說的，如果你驅車從俄荷馬城到勘薩斯城再返回，那麼當你到家的時候，你應該重新對表。因為當你駕車的時候，你的表應該比在你家裡處於靜止狀態的表走得慢。如果到家的時候你的表現時是3點正，那麼你家裡的表都應該顯示一個晚一點的時間。為什麼你從未發現過這種情況呢？
答案是：這種效應顯著與否依賴於你運動速度的快慢。而你運動得非常慢（你可能認為你的車開得很快，但這對於相對論來說，是極慢的）。長度收縮和時間膨脹的效果只有當你以接近光速運動的時候才能注意到。而光速約合186，300英里/秒（或3億米/秒）。在數學上，相對論效應通常用一個系數加以描述，物理學家通常用希臘字母γ加以表示。這個系數依賴於物體運動的速度。例如，如果一根米尺（正確長度為1米）快速地從我們面前飛過，則它相對於我們的參照系的長度是1/γ米。如果一個鍾從A點運動到B點要3秒鍾，那麼相對於我們的參照系，這個過程持續3/γ秒。
為了理解現實中為什麼我們沒有注意到相對論效應，讓我們看一下（關於）γ的公式： 這里的關鍵是分母中的v2/c2。v是我們所討論的物體的運動速度，c是光速。因為任何正常尺寸物體的速度遠小於光速，所以v/c非常小；當我們將其平方後（所得的結果）就更小了。因此對於所有實際生活中通常尺寸的物體而言，γ的值就是1。所以對於普通的速度，我們通過乘除運算後得到的長度和時間沒有變化。為了說明此事，下面有一個對應於不同速度的γ值表。（其中）最後一列是米尺在此速度運動時的長度（即1/γ米）。
第一列中c仍舊表示光速。.9c等於光速的十分之九。為了便於參照舉個例子：「土星五號」火箭的飛行速度大約是25，000英里/小時。你看，對於任何合理的速度，γ幾乎就是1。因此長度和時間幾乎沒有變化。在生活中，相對論效應只是發生在科幻小說（其中的飛船遠比「土星五號」快得多）和微觀物理學中（電子和質子常被加速到非常接近光速的速度）。在從芝加哥飛往丹佛的路上，這種效應是不會顯現出來的。
宇宙執法者的歷險
宇宙執法者AD在A行星上被邪惡的EN博士所擒。EN博士給AD喝了一杯13小時後發作的毒酒，並告訴AD解葯在距此40，000，000，000公里遠的B行星上。AD得知此情況後立即乘上其0.95倍光速的星際飛船飛往B星，那麼：
AD能即使到達B星並取得解葯嗎？
我們做如下的計算：
A、B兩行星之間的距離為40，000，000，000公里。飛船的速度是1，025，000，000公里/小時。把這兩個數相除，我們得到從A行星到B行星需要39小時。
那麼AD必死無疑。
等一下！這只對於站在A行星上的人而言。由於毒葯在AD的體內是要經過新陳代謝（才能發作）的，我們必須從AD的參照系出發研究這一問題。我們可以用兩種方法做這件事情，它們將得到相同的結論。
1. 設想一個大尺子從A行星一致延伸到B行星。這個尺子有40，000，000，000公里長。然而，從AD的角度而言，這個尺子以接近光速飛過他身邊。我們已經知道這樣的物體會發生長度收縮現象。在AD的參照系中，從A行星到B行星的距離以參數γ在收縮。在95％的光速下，γ的值大約等於3.2。因此AD認為這段路程只有12，500，000，000公里遠（400億除以3.2）。我們用此距離除以AD的速度，得到12.2小時，AD將提前將近1小時到達B行星！
2. A行星上的觀察者會發現AD到達B需要花費大約39小時時間。然而，這是一個膨脹後的時間。我們知道AD的「鍾」以參數γ（3.2）變慢。為了計算AD參照系中的時間，我們再用39小時除以3.2，得到12.2小時。（也）給AD剩下了大約1小時（這很好，因為這給了AD20分鍾時間離開飛船，另外20分鍾去尋找解葯）。
AD將生還並繼續與邪惡戰斗。
如果對上文中我的描述加以仔細研究，你會發現許多似是而非，非常微妙的東西。當你深入地思考它的時候，一般你最終將提出這樣一個問題：「等一下，在AD的參照系中，EN的鍾表走得更慢了，因此在AD的參照系中，宇宙旅行應花費更長的時間，而不是更短...
如果你對這個問題感興趣或者覺得困惑，你可能應該看一下後文《宇宙執法者的歷險——微妙的時間》。或者你可以相信我所說的話「如果你把所有的因果都弄清楚，那麼所有（這些）都是正確的」並跳到《質量和能量》一章。
宇宙執法者的歷險——微妙的時間
好，這就是我們剛剛看到的。我們已經發現在AD相對於EN參照系旅行中的時間膨脹。在EN參照系中，AD是運動的，因此AD的鍾走得慢。結果是在此次飛行中EN的鍾走了39小時，而AD的鍾走了12小時。這常常使人們產生這樣的問題：
相對於AD的系，EN是運動的，因此EN的鍾應該走得慢。因此當AD到達B行星的時候，他的鍾走的時間比EN的長。誰對？長還是短？
好問題。當你問這個問題的時候，我知道你已經開始進入情況了。在開始解釋之前，我必須聲明在前文所敘述的事情都是對的。在我所描述的情況下，AD可以及時拿到解葯。現在讓我們來解釋這個徉謬。這與我尚未提及的「同時性」有關。相對論的一個推論是：同一參照系中的兩個同時（但不同地點）發生的事件相對於另一個參照系不同時發生。
讓我們來研究一些同時發生的事件。
首先，讓我們假設EN和AD在AD離開A行星時同時按下秒錶。按照EN的表，這趟B行星之旅將花費39小時。換言之，EN的表在AD到達B行星時讀數為39小時。因為時間膨脹，AD的表與此同時讀數為12.2小時。即，以下三件事情是同時發生的：
1、 EN的表讀數為39
2、 AD到達B行星
3、 AD的表讀數為12.2
這些事件在EN的參照系中是同時發生的。
現在在AD的參照系中，上述三個事件不可能同時發生。更進一步，因為我們知道EN的表一定以參數γ減慢（此處γ大約為3.2），我們可以計算出當AD的表讀數為12.2小時的時候，EN的表的讀數為12.2/3.2＝3.8小時。因此在AD的系中，這些事情是同時發生的：
1、 AD到達B行星
2、 AD的鍾的讀數為1.2
3、 EN的鍾的讀數為3.2
前兩項在兩個系中都是相同的，因為它們在同一地點——B行星發生。兩個同一地點發生的事件要麼同時發生，要麼不同時發生，在這里，參照系不起作用。
從另一個角度看待此問題可能會對你有所幫助。你所感興趣的事件是從AD離開A行星到AD到達B行星。一個重要的提示：AD在兩個事件中都存在。也就是說，在AD的參照系中，這兩個事件在同一地點發生。由此，AD參照系的事件被稱作「正確時間」，所有其他系中的時間都將比此系中的更長（參見時間膨脹原理）。不管怎樣，如果你對AD歷險中的時間膨脹感到迷惑，希望這可以使之澄清一些。如果你原本不糊塗，那麼希望你現在也不。
質量和能量
除了長度收縮和時間膨脹以外，相對論還有許多推論。其中最著名、最重要的是關於能量的。
能量有許多狀態。任何運動的物體都因其自身的運動而具有物理學家所謂的「動能」。動能的大小和物體的運動速度及質量有關。（「質量」非常類似於「重量」，但並不完全相同）放在架子上的物體具有「引力勢能」。因為如果架子被移掉，它就（由於引力）具有獲得動能的可能。
熱也是一種形式的能，其最終可以歸結於組成物質的原子和分子的動能，此外還有許多其他形式的能。
把上述現象都和能量聯系起來的原因，即它們之間的聯系，是能量守恆定律。這個定律是說，如果我們把宇宙中全部的能量都加起來（我們可以用象焦耳或千瓦時這樣的單位定量地描述能量），其總量永不改變。此即，能量從不會產生或消滅，盡管它們可以從一種形態轉化為另一種形態。例如，汽車是一種可以將（在引擎的汽缸中的）熱能轉化為（汽車運動的）動能的設備；燈泡（可以）將電能轉化為光能（這又是兩種能的形式）。
愛因斯坦在他的相對論中發現了能量的另一種形式，有時被稱作「靜能量」。我已經指出一個運動物體由於其運動而具有了能量。但愛因斯坦發現，同樣一個物體在其靜止不動的時候同樣具有能量。物體內靜能量的數量依賴於其質量，並以公式E＝mc2給出。
由於光速是如此之大的一個數，一個典型物體的靜能量與其所具有的其他類型的能量根本不可相提並論。但這並不重要，因為日常生活中物體的靜能量就是保持「安靜」的狀態，並且不會被轉化成我們可以注意到的其他形式的能，如熱能或動能。在核電站、原子武器和太陽中有相對很少一部分靜質量被轉化為其他形式的能，但對於大多數情況而言，靜能量通常不會被注意到。
一個物體的動能和靜能量的總和也可以用數學公式非常容易地表述如下：
E＝mc2γ
注意，在日常的速度中，γ大約等於1。因此靜、動能量之和近似等於單一的靜能量。換句話說，在日常速度中，靜能比動能大得多。然而，當速度非常接近光速時，γ可以比1大很多（靜能量只與物體的質量有關，而與其運動與否無關）。這對於在芝加哥附近的費米實驗室和瑞士邊界的CERN實驗室中（使用）粒子加速器的物理學家來說非常重要。
光速極限
在讀AD歷險記中，你可能注意到AD的速度幾乎是，但並不等於光速。這似乎有很充分的理由：遠低於光速的速度相對論效應不顯著。然而實際情況是超光速在物理學中是不可能的。
我會告訴你這是為什麼。假想AD奮力想將他的飛船加速到光速。好，我們已經知道物質的能量與γ參數成比例，這在相對論計算中太普遍了。但你現在也會知道當物體的運動速度等於光速時，γ參數將變為無窮大。因此，為了讓AD的飛船加速到光速，他將需要無窮大的能量。這顯然是不可能的。因此盡管對於一個物體可以以多麼接近光速的速度運動並無限制，但任何有質量的物體都不可能達到光速。實際上，沒有質量的物質必須以光速運動，在此我不想討論其原因。唯一的一種沒有質量的物質是光（被稱作「光子」），或許還有中微子（不久前已經證實，中微子有質量。譯者）
還有其他物體不能朝光速運動的原因。其中之一與「因果性」有關。假設我投出一個壘球並打碎了一扇窗戶，那麼「我投出球」就是「窗戶被擊碎」的原因。如果超光速是可能的，那麼一定會有某種參照系，其中「窗戶被擊碎」先於「我投出球」發生。這導致各種邏輯沖突（特別是當窗戶已經碎了之後又有人截獲了飛行中的球，阻止了窗戶被擊碎！）因此我們將物體能超光速運行這種可能性排除了。更進一步，因果性排除的不僅是朝光速運動，更排除了任何超光速通訊。
光速，就我們所知而言，是一道不可逾越的障礙。
如果你和我一樣是個科幻迷，這將是一個壞消息。幾乎可以肯定，在除地球之外的太陽系中不存在有智慧的生命。然而恆星間的距離太遠了！我們即使以光速運行，到達最近的恆星也要花上4年時間。所以沒有比光快的交通手段，將很可能無法在銀河系中游盪並與異型文明相遇，為爭奪銀河系的帝位而站，等等。
另一方面，由於長度收縮，或許情況並非那樣令人絕望。假設你登上一條飛船，以接近光速飛往10光年以外的一顆恆星。從地球的參照系看來，這個旅行將持續10年。然而對於這次旅行中的乘客而言，長度縮短了。因此這個旅行只用了不到10年的時間。並且飛船飛行得越接近光速，（相對於地球和恆星的）長度收縮得也越多（你也可以從時間膨脹的角度考慮這個問題）。
為了說明這點，這里有一個表，標明以不同的速度到達不同目的地所需要的時間。讓我解釋一下它們的含義：
首先，為了能產生顯著的長度縮短，我們必須非常接近光速。因此我假設在旅行中飛船可以產生一個穩定的加速度。這也就是說，飛船內的人將感受到一個連續的加速度。例如，前半程以1g（g為地球的重力加速度。譯者）加速，後半程以1g減速。
第二列以光年為單位給出了地球距離我們目的地的距離（一光年是光在一年內傳播的距離，大約是6萬億英里）。我加入了三種不同加速度的計算，一種較小，另一種較大；剩下的一種與地球的重力加速度相等。加速度為2g的旅行可能會非常不舒服，因此或許你根本不用再考慮所有比這更大的速度。
第四列列出了最大速度（在中點處，當飛船正要轉入減速運動時）與光速的比值。最後兩列給出了旅行所需要的時間。首先以地球為參照系，然後以飛船為參照系。其中的差別很重要。我的意思是，如果說你乘飛船以2g的加速度飛往獵戶座，在你到達獵戶座之前要在飛船上渡過6.8年的時間。（盡管距離很遠，但「飛船時間」增加得非常慢。這是因為距離越大，在開始減速前你越能接近光速飛行，因此你得到的長度收縮越多！）但當你到達那裡的時候，地球上已經過500多年了。你到達獵戶座後所發出的任何信息都將在500年後到達地球，回信也是如此。因此如果人類有一天能漫步在銀河系之中，不同居住點之間將處於隔絕狀態。地球上的人不可能以任何常規方式同獵戶座附近的人交談。
為建造一艘可以像這樣無限加速的飛船，現在看來有無窮的技術困難。這些困難可能會被證實是不可克服的，那麼我們就只能在幻想的空間遨遊；但如果它們是可以克服的，並且如果我們人類可以活得足夠長以克服它們，那麼我剛才所描述的正是依據狹義相對論的理論上（可行的）遠程宇宙旅行。
當然，許多科幻小說仍然加入了超光速飛行。但它們也常常不得不在其中引入一些奇怪的概念，如：「（時空）扭曲」、「超時空」。最終的情況是：就我們今天所知的時、空而言，超光速飛行是不可能的。但如果你喜歡，你總可以寄希望於某種時空的「窗口」或一個全新的，允許物體超光速運動的物理分枝被發現。
那樣，我們就可以著手建立一個大銀河帝國了！
廣義相對論—— 一個極其不可思議的世界
廣義相對論的基本概念解釋：
在開始閱讀本短文並了解廣義相對論的關鍵特點之前，我們必須假定一件事情：狹義相對論是正確的。這也就是說，廣義相對論是基於狹義相對論的。如果後者被證明是錯誤的，整個理論的大廈都將垮塌。
為了理解廣義相對論，我們必須明確質量在經典力學中是如何定義的。
質量的兩種不同表述：
首先，讓我們思考一下質量在日常生活中代表什麼。「它是重量」？事實上，我們認為質量是某種可稱量的東西，正如我們是這樣度量它的：我們把需要測出其質量的物體放在一架天平上。我們這樣做是利用了質量的什麼性質呢？是地球和被測物體相互吸引的事實。這種質量被稱作「引力質量」。我們稱它為「引力的」是因為它決定了宇宙中所有星星和恆星的運行：地球和太陽間的引力質量驅使地球圍繞後者作近乎圓形的環繞運動。
現在，試著在一個平面上推你的汽車。你不能否認你的汽車強烈地反抗著你要給它的加速度。這是因為你的汽車有一個非常大的質量。移動輕的物體要比移動重的物體輕松。質量也可以用另一種方式定義：「它反抗加速度」。這種質量被稱作「慣性質量」。
因此我們得出這個結論：我們可以用兩種方法度量質量。要麼我們稱它的重量（非常簡單），要麼我們測量它對加速度的抵抗（使用牛頓定律）。
人們做了許多實驗以測量同一物體的慣性質量和引力質量。所有的實驗結果都得出同一結論：慣性質量等於引力質量。
牛頓自己意識到這種質量的等同性是由某種他的理論不能夠解釋的原因引起的。但他認為這一結果是一種簡單的巧合。與此相反，愛因斯坦發現這種等同性中存在著一條取代牛頓理論的通道。
日常經驗驗證了這一等同性：兩個物體（一輕一重）會以相同的速度「下落」。然而重的物體受到的地球引力比輕的大。那麼為什麼它不會「落」得更快呢？因為它對加速度的抵抗更強。

大哥，相對論那麼多，網路回答有限制字數額。買本原著吧。給點分