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    世界现代前期科技史_图文

    世界现代前期科技史_图文

    内容提要 ?#20445;福P?年?#20445;保?年屈指算来不过 年的时间但这 年却横跨了两个 世纪本书反映的是这一历史阶段世界科学技术发展的概貌 世界现代前期科技史的主要内容包括发生在这一历史时期的以电力技 术为中心的第二次动力革命发生在 ?#20445;?世纪末至 ?#29627;?世纪初的物理学革命与 相对论的创立过程并对世纪之交的化学生物学数学所取得的成就以及 炼钢技术的发展等作了较为详尽的论述 本书内容以史为主史论结合透视了作为科学技术这一特定文化现象 的哲学内涵对重要的人物和事件则作了专章介绍或着重论述

    一概述 ?#20445;福P?年?#20445;保?年 总算起来不过 年时间 可这 年时间却非同寻常 它在世界历史上占有重要的地位它在人类的文明史上留下了辉煌灿烂的篇 章 有人把这一时期称作发明的英雄时代绝非评价过高在这近半个世纪 的时间里继英国法国之后德国美国和日本也实现了产业革命完成 了工业化的历史任务成为工业发达的国家这段时间恰处世纪之交偏 于此时爆发了第一次世界大战后又发生了俄国十月革命这些重大的历史 事件和社会变革自然会对世界?#27573;?#20869;的科学技术发展产生影响 ?#20445;埃?年在 ?#20445;?世纪终结?#29627;?世纪开启之际有两位科学巨人在世界 科学讲?#24120;?#20998;别作了关于物理学和数学发展前景的演讲颇有辞旧迎新之感 昭示后人之意他们一位是物理学泰斗开尔文勋爵威廉?汤姆生另一 位是数学大师希尔伯特开尔文勋爵总结了 ?#20445;?世纪物理学取得的巨大成就 同时?#28799;?#24515;忡忡地指出了物理学上空出现的两朵乌云恰恰是这两朵乌云形 成了巨大的风暴酿就了 ?#29627;?世纪初物理学领域的革命天才的爱因斯坦以其 所创立的相对论不仅包容了牛顿的经典力学体系而且为以后物理学的发 展指明了?#36739;R?#24076;尔伯特值此世纪之交的当口归纳提出了数学领域有重大意 义然而又?#24418;?#35299;决的 ?#29627;?个问题以期引起数学界的重视和研讨孰不知这些 问题竟对 ?#29627;?世纪的数学研究发挥了巨大的指导作用 在解决这些问题的过程 中还获得了一系列与此相关的重大研究成果其意义或许?#23545;?#36229;过了这些 问题本身 关于物理学的情况在此不妨作一点历史的回顾在 ?#20445;?世纪 年代 物理学的发展在当时说来可谓达到了辉煌的顶点经典物理学已经形成十 分完备的理论体系它所包含的经典力学和经典电磁学理论已达到尽善尽 美的地步牛顿以其创立的第一第二第三三条运动定律和万有引力定 律构建了坚不可摧的经典力学大厦麦克斯韦运用数学分析法建立了麦 克斯韦方程组从而把光电磁现象统一了起来至此很多人认为经 典物理学已经达到了顶峰人类对自然的认识也已达到了尽头因此物理 学从 ?#20445;?世纪 年代起直至 ?#20445;?世纪末再没有取得显著进展 孕育着巨大变 革当物理学家们送别 ?#20445;?世纪迎接 ?#29627;?世纪的时候英国享有盛名的科 学家威廉?汤姆生开尔文勋爵于 ?#20445;埃?年 月 ?#29627;?日发表了一篇历史总结 性演讲他概括了 ?#20445;?世纪物理学取得的巨大成就也指出了在古典物理学万 里长空中还漂荡着两朵乌云?#34180;?#20854;中之一是同比热和热辐射有关的理论问 题汤姆生认为它还可望 在 ?#29627;?世纪开头获得解决 而另外一朵乌云即 以 太漂移实验的否定结果则看不到任何可解决的途径汤姆生说恐怕我们 仍然必须把这一朵乌云看作是非常稠密的?#34180;?乌云本是不祥之兆处在世纪之交的物理学家们以此坦露了他们感到 的困惑因为以太漂移实验的否定结果预示着经典物理学的理论根基 发生了动摇然而正是这两朵乌云引发了 ?#29627;?世纪的物理学革命解除了人 们的困惑使经典物理学从山重水复疑无路走进了柳暗花明又一村在物 理学这场伟大的变革中科学巨匠爱因斯坦以其超人的智慧和独特的思维 创立了狭义相对论和广义相对论其理论不仅囊括了经典物理学的理论体 系而且把物理学推进到现代科学的新阶段狭义相对论以惯性参考系中的

    相对性原理和光速不变原理否定了牛顿的绝对时?#23637;P?#25351;出了仅仅 在低速运动状态下经典力学的合理性从而化解了以太之谜在爱因斯坦完 成狭义相对论之后又向新的目标展开了进攻他将相对性原理由惯性参考 系进一步扩大到任意参考系并把牛顿的引力理论作为一级近似包容其中 从而又创立了广义相对论爱因斯坦在许多研究领域都取得了突破性的成 果在科学上为全人类作出了划时代的巨大贡献 ?#20445;福福?年以后一场新的技术革命在世界?#27573;?#20869;迅速展开在这场革命中 有三大技术发明带动了整个工业的发展它们是法拉第发现电磁感应而导致 的电力技术的发展和应用贝塞麦炼钢法的成功奠定了钢铁工业大发展的基 础焦油化学理论的突破带来了有机化学工业的?#27604;١??#20445;福玻?年奥斯特发现了电流的磁效应 ?#20445;福常?年法拉第发现了电磁感应这 些?#27492;?#24494;不足道的发现却孕育着第二次技术革命的兴起以电能为主要动力 的电力革命从此揭开了序幕使 ?#29627;?世纪成为电气化世纪?#34180;?#21457;电机的研制 成功迅速形成了一个以汽轮机水轮机等为原动力以交流发电机为核心 以变压器等电器的输配电系统为动脉的变压输电网电可以为电报电话 电灯提供能源亦可通过电动机将电能转变成机?#30340;?#20197;带动其他机械做功 电的发现和利用是人类自觉应用电学知识的伟大成果从此电取代了蒸汽 它所创造的生产力是蒸汽时代所不可比拟的蒸汽机利用机械力代替人的体 力是扩展人类肢体功能的一次革命电的应用尤其是电报电话无线 电的应用是扩展人类感官功能的一次革命电的应用是科学转化为技术 技术转化为社会生产力的最好证明随着科学技术的发展电的应用逐渐深 入到人类生活生产的各个领域它不仅给经济生活带来了前所未有的大发 展而且给人们的文化生活增添了丰富多彩的新内容 蒸汽机技术的发明和应用引发了 ?#20445;?世纪的产业革命从此机器大生产 逐渐代替了手工业的生产方式生产效?#36866;?#20493;百倍地增长产?#20998;科?#31934; 细和准确程度使手工?#30772;?#26395;尘莫及达到了近乎完美的地步蒸汽机在其发 明后的一百多年中形成了极大的生产力建立了极其宏伟的?#23548;?#28982;而 随着时代的发展和科学技术的进步蒸汽机不可克服的缺点笨重热效率 低不安全等促使人们去研制新的动力装置于是在蒸汽机不?#32454;?#36827;的 同时在热力学等科学理论的指导下一?#20013;?#22411;?#28982;?#20869;燃机诞生了作 为内燃机产生的前提条件当然是燃料的变革在 ?#20445;?世纪末英国人默多克 ?#20445;P担础保福常?#21457;现了用煤在炼制焦炭的过程中同时有煤气生成很快 这种可燃气体便在 ?#20445;?世纪初被?#20998;?#19968;些国家用于照明?#20445;福担?年美国人德莱 克?#20445;福保保福福埃?#29992;顿钻成功地打出了石油到 ?#20445;?世纪 年代石油生产进 入了工业化时期在煤气和石油能够充分供应的情况下内燃机的发明才成 为可能法国人?#30528;担保福玻病保埃埃?#21457;明了第一台二冲程煤气机后由德国 人奥托?#20445;福常病保福保?#25140;姆勒?#20445;福常础保埃埃?#21644;狄赛尔?#20445;福担浮保保常?#23545; 内燃机进行了重要改进于是出现了四冲程煤气机汽?#31361;?#21644;柴?#31361;?#20197;后 又出现了蒸汽?#26032;?#26426;和燃汽轮机这一系列内燃机的改进发展和应用促 进了交通事业的发展其后出现了汽车轮船飞机等现代化的交通工具 在这一时期化学理论取得了重大进步因而推动了化学工业的前进 俄国科学家门捷列夫关于元素周期律的发现和周期表的提出是化学理论研 究的巨大成果从此人们利用周期律和周期表可以掌握元素的基本化学性 质从而把握化学反应的过程预见化学反应的结果并可据此预见未知元

    素的存在及其性质在门捷列夫工作的基础上英国的莫斯?#24120;保福福E保保担?和德国的柯塞尔?#20445;福福浮保担?#23545;元素周期律进行了科学的阐述进一步完 善了周期律理论此后一些新元素陆续被发现如惰?#20113;?#20307;放射性元素 稀土元素?#21462;?#24403;时门捷列夫制出的周期表列出了 个位置?#19994;?#20102; 种元素而到 ?#20445;?年元素周期表列出的 个元素均已?#19994;健?#22312; ?#29627;?世纪 年代科学家们在寻找新元素的过程中又发现了一系列超铀元素于是突 破了 号元素的界限使元素周期表又一次得到修正和完善科学家们在研 究中发现有些元素化学性?#36866;?#20998;相似它们总是紧密地相聚在一起很难 使它们分离英国的索第?#20445;福PE保担?#30001;此提出了同位素的概念进 一步丰富了元素周期律完善了元素周期表后来物理化学电化学结 构化学等一系列新的理论相继产生对化学工业的发展产生了巨大的指导作 用 化学工业包括无机化学工业和有机化学工业两部分首先发展起来的 是无机化学工业无机化学工业的主要产品是酸?#22270;?#22312; ?#20445;?世纪初期酸 碱的制取都有了较为成熟的方法并逐渐形成一定的规模而克尼奇的接触法 制酸和索尔维的氨碱法制碱?#39038;?#30897;生产都进入现代化阶段 有机化学工业的兴起始自维勒和李比希维勒不仅合成了尿素打破了生 命力论而且和李比希一起提出了基团理论开创了合成化学的新时代在 他们的带动下德国出现了一大批杰出的科学家如凯库勒霍夫曼?#21462;?#20182; 们以煤焦油作原?#24076;?#21512;成了一系列苯胺染?#24076;?#20854;中最主要的是茜素和靛蓝 从而结束了由植物中提取茜素和靛蓝的历史后来合成香料合成药品合 成炸药均获成功从此使煤化学成为化学的一个重要分支合成化学取得的 一系列巨大成就使德国开始成为世界科学的中心 电力技术的发展化工技术的兴起炼钢法的出现这是第二次技术 革命的重要成果和显著标?#23613;?当人类社会步入铁器时代的时候伴之而来的是铁器文化的兴起世界 著名的埃菲尔铁塔恰似一座历史的丰碑成为钢铁时代的象征钢铁冶炼技 术的发展经历了从铁到钢的过程和炼钢法的一系列改进 高炉炼铁在 ?#20445;?世纪 就已出现?#20445;?世纪随着焦炭冶炼代替木炭冶炼使炼铁技术进入了焦炭时代 铁器的使用提高了生产力?#32435;?#20102;人们的物质生活条件在此情况下铁 的需求量日益增加但铁的弱点也越来越突出生铁太脆熟铁又太软于 是人们开始寻求新的冶炼方法以期得到具有韧性的钢在 ?#20445;?世纪下半叶 由炼钢法的突破迎来了钢铁工业的新时代 ?#20445;福担?年 月英国的贝塞麦发表了关于不使用燃料生产可锻铁和钢 的论文在此之前他发明了转炉炼?#20013;?#25216;术使用了吹气精炼法?#34180;?#36125; 塞麦指出这?#33267;?#38050;法只需从炉?#29366;等?#31354;气除了铁水和空气什么也不需 要?#34180;?#20154;们对于贝塞麦的炼钢法疑惑不解但贝塞麦的公开实验却使人们出 乎预?#24076;?#22823;开眼界炼钢炉鼓入空气后不但炉温没有?#26723;?#21453;而升高铁水 中所含的锰硅磷等?#21448;试?#39640;温中氧化脱出同时生铁中的碳也被氧化成 二氧化碳用了不到半个小时的时间炼出一炉钢水为了便于钢水倒出 贝塞麦把炼钢炉从固定式改为转动式结构并获得了这一发明的专利 贝塞麦炼钢法适用于冶炼含磷硫量较低的矿石炼出的生铁而对含磷 硫量较高的生铁则不适用这一问题的解决是由英国的?#26032;?#26031;完成的?#26032;?斯通过试验?#19994;?#20102;理想的脱磷方法他用向炉内添加石灰石的方法使磷进

    入矿渣为避免石灰石和原来的酸?#26376;?#34924;起化学反应又把原来的酸?#26376;?#34924; 改为碱?#26376;模从?#37240;性硅酸质改变为碱性石灰质?#26032;?#26031;对贝塞麦炼钢法 的改革获得极大成功 与贝塞麦炼钢法并驾齐驱的还有平炉炼钢法亦称西门子马丁炼钢法 平炉有个较大的熔池将经?#19978;?#23618;蓄热?#20197;?#28909;的空气和煤气送入上层在熔 池的铁水表面吹拂燃烧可较彻底地将铁水中的碳和其他?#21448;?#27687;化虽然 平炉冶炼过程比转炉耗时要长但平炉的容量大产量高原料广泛炼出 的钢?#35270;?#33391;因此适宜于大规模生产 ?#20445;?世纪末的后 ?#24120;?年由于现代钢铁技术体系的形成钢铁工业发展迅 猛?#24120;?年钢产量增加了 ?#20445;玻?倍到 ?#29627;?世纪初叶钢铁仍在稳步发展而且 钢的?#20998;?#20063;不?#26174;?#21152;并出现了各种合金钢和特?#25351;?钢铁的发展特别是钢铁材料的使用引起了社会生活的巨大变化在 水泥发明之后出现了钢筋混凝?#20004;?#31569;其中有高层楼房大型桥梁?#21462;?#21478; 外铁路铺设机械产品的生产轮船汽车的制造等没有大量钢铁作支 ?#29275;?#26159;不可能发展起来的?#20445;?世纪末至 ?#29627;?世纪初钢铁工业的大发展和钢 铁材料的广泛应用使世界进入钢铁时代 如果说 ?#20445;?世纪以前的科学史属于力学的世纪?#20445;保?世纪和 ?#29627;?世纪上 半叶属于物理学的世纪的话那?#21019;??#29627;?世纪开始生物学的地位越来越 显示出它的重要性 在 ?#20445;?世纪生物学领域就已取得两大成果进化论和细 胞学说它们奠定了后来生命科学发展的基础?#20445;?世纪下半叶为了探索个 体与群体之间细胞与遗传现象之间的内在联系遗传学应运而生并迅速得 到发展与此同时微生物学也在应用中悄然兴起至此我们看到随着 生物学研究的不断深化研究对象从宏观转向微观?#21019;?#29983;物的群体个体 逐步深入到揭示生命现象的微观机制当人们发现生物与生物之间生物与 环境之间存在着某?#21046;?#34913;关系时一门新的学科生态学诞生了于是人 们在科学研究中把个体与群体宏观与微观此种生物与彼种生物等因素统 一在共同的环境中进行共存研究这时生态学又使人?#21069;?#23545;生物学的研 究引向综合在 ?#20445;?世纪下半叶到 ?#29627;?世纪?#20064;?#21494;生物学的理论研究取得了 一系列重大突破在应用方面也开始取得?#23548;?#25928;果 达尔文这位进化论的集大成者他的?#27573;?#31181;起?#30784;?#19968;书成为 ?#20445;?世纪最 具影响的科学著作之一他将自己 年?#38750;?#33322;行?#29627;?年研究思考所形成的 思想精华熔入其中达尔文的进化论蕴涵着丰富的辩证法思想它指出了生 物的起源和进化问题提出了自然选择的理论有力地冲击了形而上学的世 界观和物种不变的神创论达尔文在提出进化论的同时已注意到了遗传现 象在?#27573;?#31181;起?#30784;?#19968;书中达尔文指出支配遗传的诸法则大部分是未 知的没有人能够?#24471;?#21516;种的不同个体间或者异种间的同一特性为什么有 时候能够遗传有时候不能遗传为什么子代常常重现祖父或祖母的某些性 状或者重现更远的祖先的性状为什么一种特性常常从一性传给两性或 只传给一性?#34180;?#20182;认为每一个能够各自独立变化的性状是与一种物质 载体连接在一起的组成身体的所有细胞都能产生微粒即所谓的生殖微粒 这些微粒都能以不同的强度各自独立地繁?#24120;?#23427;们由循环系统带至生殖细 胞集中在一起生殖细胞就是由来自各?#21046;?#23448;的物?#39318;?#25104;的显然达尔 文没有把生殖细胞和体细胞加以?#32454;?#21306;分人?#21069;?#36798;尔文对遗传现象的解释 称为?#33018;?#29983;说?#34180;?br />
    瑞士著名的植物学家?#36879;?#37324;?#20445;福保E保福保?#22312; ?#20445;福福?年作出了细胞内有 遗传物质种质的推想他认为种质充满整个细胞从而遍布全身每 一个可感知的性状作为一种素质或遗传因子被包含在种?#19990;|??#20445;?世纪末德国生物学家魏斯曼?#20445;福常础保保?#25209;判了泛生论提出种 ?#19990;?#35770;也称种质连续假说他认为体细胞和生殖细胞有根本区别从而把生 殖细胞称作种质?#20445;?#35797;图用种质论来解释进化与发育的关系魏斯曼 的学说为遗传学的研究奠定了基础 随着显微镜的发明和应用人们对生物的认识开始深入到生物的细微结 构?#20445;?世纪初人们已经认识?#36739;?#32990;是植物和动物最基本的结构单位德国 生物学家施莱登和施旺建立了完整的细胞学说并明确指出了细胞是?#19978;?#32990; 生成的?#20445;?世纪 年代后许多生物学家先后发现了细胞的?#33267;?#36807;程到 ?#20445;福P?年德国生物学家弗莱明?#20445;福场保保担?#21457;现了?#26087;?#36136;在细胞进行有 丝?#33267;?#26102;?#26087;?#36136;形成线状?#26087;?#36136;丝?#20445;福福?年德国的瓦尔德尔将?#26087;?#36136;丝 命名为?#26087;?#20307;?#34180;保福福?年比利时胚胎学家贝纳登?#20445;福保保埃?#21448;发现了 在形成配子时的减数?#33267;选?#36807;程随着细胞学说的建立和发展许多鲜为 人知的生物学的秘密相继被揭开了这一切又都为遗传学的产生和发展创造 了条件 在 ?#20445;?世纪末至 ?#29627;?世纪初遗传学的发展取得了重大突破为遗传学作 出卓越贡献的代表人物是孟德尔和摩尔根孟德尔通过豌豆杂交试验预见了 遗传因子基因的存在揭示了遗传的秘密提出了分离定律和自 由组合定律?#34180;?#20998;离定律被确定为遗传第一定律系指一对遗传因子其中 一个为显性因子另一个为隐性因子在彼此结合的状态下并不相互影响 相互沾染而在形成配子时完全按原样分离到不同的配子中去自由组合定 律彼确定为遗传第二定律系指一对性状的分离与另一对性状的分离是相互 独立的它们可以自由组合?#35270;?#31216;独立分配律遗憾的是孟德尔超越时 代的伟大发现由于种种原因并没有被同时代的人所接受竟至埋没达三十 多年才被重新发现孟德尔遗传定律的重新发现标志着一个绵延两千多年的 关于生殖和遗传的臆想和猜测时代的终结遗传学的进一步发展使它与细 胞学结合了起来美国的萨顿?#20445;福PE保保?#21644;德国的鲍维里是实现这一结 合的先行者 他们在 ?#20445;埃?年利用显微镜证实了?#26087;?#20307;行为和遗传因子的相似 性摩尔根利用著名的果蝇试验发现了基因连锁现象即几个相邻的基 因往往组成连锁一起遗传而不彼此分开不同?#26087;?#20307;上的基因可以自由 组合但在同一?#26087;?#20307;上的基因却不能自由组合这就是连锁遗传定律亦 称遗传第三定律摩尔根和他的学生在研究工作中还发现了基因交换现 象提出了基因在?#26087;?#20307;?#29616;?#32447;排列的学说?#24471;?#20102;由杂交所引起的基因重 组是使生物发生变异的原因并指出基因重组的发生与外界环境没有必然的 联系因此获得性状是不遗传的等?#21462;?#25705;尔根提出了较完整的基因理论发 展了孟德尔的遗传学说 在 ?#20445;?世纪下半叶就生物学而言除了细胞学说和生物进化论两大发现 之外还有微生物学的研究和应用也取得了重大进展尤其是法国的巴斯德 ?#20445;福玻病保福担?#20026;微生物学的建立及揭示微生物的秘密取得了令世人瞩目 的功绩巴斯德奠定了细菌致病学说随后他不仅提出并且创造了细菌消毒 法他还发现了免疫作用成为抗御细菌感染造福人类的千秋功业 ?#20445;福P保保?年在这近半个世纪的时间内科学技术的发展取得了惊人

    的进步首先是生活在这一历史时期的科学家们他们的创造性劳动和对科 学技术的献身精神是推动科学技术发展的主要动力在这一历史时期活跃 着一大批出类拔萃的科学家和发明家他们在各自的领域内都做出了不寻常 的贡献例如卓越的物理学家法拉第麦克斯韦爱因斯坦玻尔开尔文 勋爵汤姆生普朗克德布罗意薛定谔海森堡数学大师希尔伯特 彭加勒化学家门捷列夫凯库勒霍夫曼拜耳生物学家孟德尔摩尔 根巴斯德炼钢专家贝塞麦?#26032;?#26031;马丁父子西门?#26377;值ܣ?#20026;内燃机 的发明?#36879;?#36827;作出重大贡献的?#30528;?#22885;托戴姆勒本茨狄塞尔为电力 技术的发展和应用建立了不朽功勋的爱迪生莫尔斯贝尔波波夫马可 尼以及第一架飞机的制造者?#31243;Q值?#21644;率先使汽?#20302;?#20837;大规模生产的技师 兼企?#23548;?#31119;特 在这一时期各国的科学家们相继建立了一批著名的实验室并在科学研 究中形成了多支享有盛名的学术流派著名的实验室如贝尔实验?#25671;?#29233;迪生 发明工厂卡文迪许实验?#25671;?#25308;耳实验?#25671;?#24052;斯德研究所?#21462;?#33879;名的学术流 派有哥廷根学派哥本哈根学派摩尔根学派?#21462;?#36825;些著名的实验室和学术 流派为科学技术的发展和学术研究的争鸣发挥了重要作用 在科学理论的指导下技术发明获得成功技术改进取得突破技术成 果又迅速投入应用形成强大的社会生产力这是 ?#20445;福P保保?年这一历史时 期的一个最显著的特点如在电学理论的指导下电力技术迅速发展起来 先后发明了发电机电动机电灯电报无线电等这些技术发明投入应 用以后使人们的生产生活发生了前所未有的变化有机化学的发展是如 此炼钢技术的发展是如此内燃机的发展亦是如此科学技术能够产生强 大的生产力科学技术就是生产力在当时科学技术发达的国家不仅形成了 这样一种观念而且成为活生生的现实

    二?#28982;?#21464;革及对交通事业的促进 蒸汽机作为一?#26234;?#22823;的工业动力机械自 ?#20445;?世纪发明以来不断得到改 进对当时的工业革命产生了巨大的作用和影响并导致了火车和轮船的发 明其后在陆路和水路运输业中都迅速得到了应用然而蒸汽机又存在着 许多难以克服的缺点诸如效?#23454;停?#28909;效率一般在 ?#31119;?#36895;度慢体积 大运转笨安全性差时常发生爆炸由于其在性能方面难以取得突破 因此不易在更大的?#27573;?#25512;广应用便受到了限制因此人们祈盼着发明理 想的?#28982;保福担?年 月 ?#29627;?日美国采矿工程师德莱克在宾夕法尼亚州利用 地下取盐的钻机打出了世界上第一口?#36884;?#20174;此石油成为化学工业的重要 原?#24076;?#20134;为内燃机的发展提供了能源条件在这种情况下内燃机便应运而 生了 ?#20445;?#20869;燃机的发明与发展 说起内燃机发明来应当说首先是火炮给了人们重要启?#24076;?#29978;至可以说 火炮是内燃机的雏形最早利用火炮原理进行动力机械研究的是著名物理学 ?#19968;?#26356;斯由于发明内燃机的条件尚不具备结果是尽管内燃机的设想在蒸 汽机之前而内燃机的诞生却在蒸汽机之后 ?#20445;用?#27668;机的问世到汽?#31361;?#30340;成功 ?#20445;浮保?世纪随着煤炭石油工业的发展煤气的生成和石油的?#33267;?#20351;内 燃机的发明成为可能在年燃机的发展过程中不少国家的工程师发明家 对内燃机的设计改进做出了开拓性的贡献而第一台可以?#23548;?#24212;?#35980;?#25237;入 生产的内燃机是一部二冲程无?#39038;?#30005;点火的煤气机其功劳当归法国人 ?#30528;担保福玻薄保埃埃?#21046;造成功时为 ?#20445;福?年虽然其热效?#25163;?#26377; 但它 毕竟是一种非蒸汽动力的新型?#28982;?#20854;后随着热力学理论的发展法国工 程师德?罗沙在 ?#20445;福?年提出了制造高效率内燃机的四冲程循环原理这一原 理的实现是由德国人奥托?#20445;福常病保福保?#29575;先完成的他研制出第一台四冲 程活塞式内燃机并于 ?#20445;福P?年获得专利?#20445;福P?年在巴黎博览会上展出便很快 得到推广奥托内燃机是一?#32622;?#27668;机其热效率达 ?#20445;?#22885;托在 ?#24120;?年中 一直从事内燃机的研究后来又把热效率提高到 ?#29627;埃?#20197;上他因此而获得了 内燃机发明者的荣誉 内燃机在其发展过程中不?#32454;?#36827;和完善但其向小型化高速化转变则 是在石油燃料出现之后?#38750;?#22320;说是采用汽油作燃?#29616;?#21518;才实现的在奥托 成功地研制出四冲程活塞式内燃机之后他创立了德意志煤气发动机股份公 司其合作者德国人戴姆勒?#20445;福常础保埃埃?#22312;奥托内燃机的基础上改用汽 油作燃?#24076;?#20110; ?#20445;福福?年成功地制造出第一台现代四冲程往复式汽油发动机其 中的关键部分是戴姆勒发明的汽化器于是发动机的转数由煤气机的每分种 ?#29627;埃?转迅速提高到 ?#22467;?转?#20445;福福?年戴姆勒又制成了 型双缸汽?#31361;?#29992;于 汽车并获得了专利 ?#29627;?#26612;油发动机的诞生 在石油中的轻质部分汽油用来充当燃料驱动内燃机获得成功之 后人们自然想到了石油中的重油成份于是许多人开始研制煤?#31361;?#21644;柴油 机?#20445;福福?年滕特和卜雷斯特曼研制成功 ?#20445;埃?马力的煤?#31361;?#24182;用于农业耕

    作?#20445;福?年德国机械工程师狄塞尔?#20445;福担浮保保常?#30740;制成功了柴?#31361;?#36825; 是一种不用点火装置的压?#38469;?#20869;燃机它?#26144;?#20102;燃烧过程前的?#39038;?#36807;程增 大了?#39038;?#27604;使热效率大幅度提高到 ?#29627;E常玻?#21462;得了内燃机技术的重大突 破狄塞尔研制的第一台 ?#20445;?马力的压?#38469;?#20869;燃机?#20445;福?年在慕尼黑展览会 上一展出立即引起了人们的注目和赞赏狄塞尔看?#38454;?#24049;发明的商?#23548;?#20540; 之后迅速申请了专利并广为推销其发明他还开办了自己的柴?#31361;?#21046;造 厂于是很快成了百万富翁由于这?#20013;?#22411;的柴?#31361;?#36824;不够成熟狄塞尔又 无暇进行继续研究?#36879;?#36827;于是他的柴?#31361;?#21046;造厂所生产的第一批产品由 于运转不良用户纷纷退货狄塞尔和他的柴?#31361;?#19968;下子弄得声名狼籍在 激烈的竞争中不仅赔光了?#20063;?#32780;且?#21512;?#20102; ?#29627;?万美元的债务面对这一沉 重打击狄塞尔悲观之极自杀身亡此后狄塞尔柴?#31361;?#32463;过 ?#24120;?年的改进才 日趋完善并成为重型运转工具中无可替代的原动机 ?#24120;?#27773;轮机的研制 在内燃机发展的同时另外两?#20013;?#22411;?#28982;?#20063;在加紧研制之中一种是蒸 汽?#26032;?#26426;另一种是燃汽轮机蒸汽?#26032;?#26426;的运动?#32771;?#26159;转子转子在蒸汽 反冲力的作用下发生转动由此带动其他?#32771;?#30340;运动英国人查尔斯?帕森 斯?#20445;福担础保常保?#22312; ?#20445;福福?年取得了蒸汽?#26032;?#26426;的专利这部?#26032;?#26426;的转子以 每分钟 ?#25285;保浮埃埃?转的转速高速旋转 ?#20445;福福?年瑞典人拉瓦尔 ?#20445;福保保常?制造的冲击式高速汽轮机的转速竟高达每分种 ?#20445;埃埃埃埃常埃埃埃?转 由于汽轮机较 之蒸汽机具有明显的高速强力高效等优点因此汽轮机成为更加理想的 ?#28982;?燃汽轮机的结构与蒸汽轮机类似所不同的是使用燃?#24076;?#36890;常是用煤油 作燃?#24076;?#20351;燃料与高压空气混合后连续燃烧产生的燃烧气体推动转子的 ?#26032;?#21494;片转动在燃汽轮机的发明改进过程中不少人为此进行了不懈的 探索?#20445;福P?年德国人斯托兹第一个?#23548;?#21046;造出具有现代特征的燃汽轮机因 其热效率很低并未获得应用进入 ?#29627;?世纪后几经改进燃汽轮机才达到实 用阶段由于燃汽轮机存在难以克服的缺点热效?#23454;汀?#22122;声大成本高 寿命短污染?#29616;أ?#22240;而仅用于发电飞机船舶等几个有限的方面 ?#29627;?#20869;燃机的应用和推广 内燃机发明之后由于它和蒸汽机相比有着极大的优越性因此很快投 入应?#35980;?#36805;速得到推广内燃机的应用和推广使生产力发生了巨大变革 加速了社会生活现代化的进程因此其意义不逊于电的发现和应用 ?#20445;?#20869;燃机的应用和汽车工业的崛起 从内燃机能够?#23548;适?#29992;起人们就看到了它的发展前景于是试图用之 驱动车辆以代替笨重的蒸汽机内燃机的推广使用使交通运输业产生了 继火车之后的又一次革命从 ?#20445;?世纪开始人们制出了最初的汽车如蒸汽 机汽车蓄电池汽车和内燃机汽车在 ?#29627;?世纪初形成了世界的内燃机汽车工 业 汽车工业的前奏曲 法国军官?#20248;??#20445;P?年将一台蒸汽机安装在三轮车上用来拖运大炮同 时还可乘坐四人这?#20013;?#22411;的运输工具开创了自带动力装置驱动的新纪元 这辆用蒸汽机驱动的车子堪称为世界上第一辆汽车此后蒸汽机汽车一度

    得到发展法国巴黎在 ?#20445;P?年出现了蒸汽机公共汽车英国城市之间在 ?#20445;?世纪中叶出现了蒸汽机?#32479;?#22312;这一期间法国德国丹麦美国都发展 了蒸汽机汽车到 ?#29627;?世纪初美国汽?#24403;?#26377;量中 ?#22467;?#20026;蒸汽机汽车?#24120;福?为蓄电池汽车而内燃机汽车仅占 ?#29627;玻?#24403;时蒸汽机汽车的技术水平正处 于优势?#20445;埃?年美国的一辆斯坦利牌蒸汽机汽车创造了当时汽车时速 ?#29627;埃?公里的世界纪录但因蒸汽机汽车的产量小故未能形成汽车工业又因蒸 汽机自身的笨重污?#23613;?#20351;用不便等缺点不?#35868;?#27773;机汽?#24403;?#34987;内燃机汽车 所?#34164;?从 ?#20445;?世纪 年代起电力逐步取代了蒸汽机成为工业的主要能源和动 力 ?#20445;福P?年英国人罗伯特?戴维森研制成第一辆用蓄电池驱动的电动汽车 随后在法国和美国也出现了电动汽车由于电动汽?#24403;?#20110;操纵和使用所以 也曾有过一段辉煌发展的时期在 ?#20445;福?年美国的汽车大赛中蓄电池电动汽 车时速达到 ?#20445;埃?公里创造了当时的世界纪录?#20445;保?年美国生产的蓄电池 汽车年产达到 ?#25285;埃埃??#23613;?#38543;着科学技术的发展蓄电池汽车在竞争中亦逐渐 被内燃机汽车所代替 汽车的出现 ?#20445;福?年诞生了第一部使?#32654;着得?#27668;机的汽车 ?#20445;福?年奥地利人西格弗里 德? 马库斯曾将一台点?#38469;?#20108;冲程内燃机装在一辆四轮车上 后经改进 ?#20445;福P?年马库斯又制成第二辆装用内燃机的汽车 ?#20445;福福?年德国人戴姆勒在奥?#20852;?#20914; 程煤气机的基础上制出一台用汽油代替煤气作燃料的单缸小?#25512;突?#24182; 于 ?#20445;福福?年 ?#20445;?月装在自行车上制成了第一部摩托车同年戴姆勒又将一台 小?#25512;突?#35013;在一辆四轮车上另一位德国发明家本?#27169;保福础保玻?#20063;成 功地将奥托的煤气机改为汽?#31361;?#20063;在 ?#20445;福福?年将其研制的单缸两冲程汽油 机装在一辆三轮车上成为最早的一部三?#21046;?#36710;其时速可达 ?#29627;?公里后来 本茨又自己设计了专门用于汽车的四冲程汽油内燃机在技术上对戴姆勒汽 ?#31361;?#20316;了重大改进如采用水循环冷却系统和齿轮传动变速装置?#20445;福?年英 国兽医丹洛甫?#20445;福保玻保?#21457;明了充气轮胎本茨迅即将其采用作为?#24503;?直到这时汽车才可称之谓真正意义上的汽车了?#20445;福福?年 月 ?#29627;?日为本茨的 内燃机汽车正式取得专利的日子为纪念本茨一生对汽车作出的贡献这一 天被作为内燃机汽?#26723;?#29983;之日 为汽车的改进作出了重要贡献的还有法国人雷内?帕哈德和埃米尔?卢 瓦瑟他们将戴姆勒汽车改成为发动机前置后?#26234;?#21160;通过离合器变速 器 链条驱动差速器 后半轴及后?#24503;?#30340;现代汽车的雏形 法国科学院于 ?#20445;福?年确认该车为第一辆现代汽车并于 ?#20445;福?年正式将这种乘人的汽车定名为 ?#22467;PP飚e保?#20854;中?#22467;|?#20026;希腊文自己?#20445;埃P飚e?#20026;拉丁文运 动?#34180;?汽?#31361;?#30340;发明和汽油燃料的使用成为汽车工业的开端内燃机汽车后 来又分为两种类型即汽?#31361;?#27773;车和柴?#31361;?#27773;车汽?#31361;?#27773;车发明较早柴 ?#31361;?#27773;车则是在 ?#29627;?世纪初才出现的?#20445;玻?年戴姆勒汽车制造公司制成了柴 ?#31361;?#27773;车?#20445;玻?年该公司又将柴?#31361;?#36733;货汽车正式投产在此之前戴姆勒 公司还于 ?#20445;福?年研制成功第一辆汽?#31361;?#36733;货汽车 汽车工业的形成与发展 在汽车发明后的一段时间人们想到的是乘坐汽车是一种娱乐和享受 因此设计和制造汽车都是围绕着轿?#21040;?#34892;的由于当时轿车售价高产?#21487;٣?br />
    所以并未很快形成汽车工业?#20445;埃?年德国法国的汽车制造厂家宣称?#20998;?#30340; 汽车年产量占世界年产量的一半以上但?#20998;?#30340;年产量也仅有 万辆左右 在汽车工业的形成和发展中美国人亨利?福特是较早取得成功的企业 家亨利?福特?#20445;福场保P?#26412;是一位钟表?#24120;?#22312;汽车刚刚问世的时候 便看到了这?#20013;?#22411;交通工具的极大优越性和未来发展的巨大潜力于是福特 改行从事汽车制造他从 ?#20445;福?年开始研制第一辆二缸汽车这是一部结构简 单装有四个自行?#24503;?#24182;有两个前进档的小?#25512;突?#22235;轮车该车时速可 达 ?#29627;?公里?#20445;福?年他将该车售出经少量生产销售后很受人们欢迎福 特在底特律市长的支持下?#20445;福?年集资成立了底特?#21892;?#36710;公司开始批量生 产豪华轿车每辆售价高达 ?#29627;P埃?美元起初销路不错?#20445;埃?年出现滞销 福特提出要扩大汽车生产就要将汽车由奢侈品变为人们的必需品要使 汽车成为必需品就要改豪华型为普及型由于公司合作者的反对福特脱 离了底特?#21892;?#36710;公司并于 ?#20445;埃?年成立了福特汽车公?#23613;?#20182;积极研?#30772;?#21450;型 轿车广为吸收各种设计思想和先进技术很快便使 ?#25512;低?#20837;大批量生 产?#20445;埃?年 ?#25512;?#36710;达到年产 ?#20445;P埃?多?#23613;保埃?年福特又将新研制的普 及型 型轿?#20302;?#20837;生产?#20445;埃?年 型轿车年产超过一万辆售价从 ?#20445;埃埃?美 元以上降至 ?#25285;?美元销路很好福特又将惠特尼枪枝零件标准化生产方法 和钟表制造业采用的总装法应用于汽车制造过程中 于 ?#20445;保?年创造了流水作 业法建成了世界上第一条汽车装配线?#20445;?#36827;行大规模生产到 ?#20445;保?年 ?#25512;?#36710;年产量达到 ?#24120;?万辆 到 ?#20445;保?年每辆售价降至 ?#24120;?美元 在 ?#20445;玻?年 ?#36879;?#29305;轿?#20302;?#20135;前年产达到 ?#29627;埃?万辆售价仅 ?#29627;?美元在 ?#29627;?年的时间 内生产了 型轿车 ?#20445;担埃?万辆为汽车工业大生产创造了基本经验从此 汽车开始成为人们日常交通的重要工具 第一次世界大战?#21476;分?#24037;业受到很大影响但却促进了美国工业的发 展加之美国政府对汽车消费的引导和许诺以及对轿车生产的支持使美 国成为世界上第一个普及汽车的国家由于各汽车生产公司相互竞争致使 美国的汽车生产成本大幅度?#26723;停?#27773;车质量不断提高因而具备了进入国际 市场进行竞争的优势到 ?#20445;玻?年美国福特通用汽车公司汽车年产量达 ?#22467;?多万辆占世界汽车年产量的 ?#22467;?#20197;上汽车工业开始成为美国的支柱 产业之一在此期间福特公司和通用公司又代表了大规模生产的两种不同的 组织模式福特公司则代表了全能型的生产组织模式即汽车的全部零?#32771;?甚至包括轮胎蓄电池都由本公司生产而通用公司则代表了专业化的生产 组织模式它将一些汽车制造企业联合起来分工协作根据各个企业的条 件实行专业化生产企业的竞争也体现了这两种生产组织模式的竞争 ?#20445;玻?年通用汽车公司的年产量第一次超过福特公司跃居世界汽?#28783;?#19994;年 产量排名榜首 美国汽车在高速发展中打入了?#20998;?#24066;场随着汽车销售情况的发展和变 化美国的汽车厂商先后采取了两?#20013;?#30340;生产方式其一是就地装配其二 为投资办厂 福特公司和通用公司到 ?#20445;玻?年分别在 ?#29627;?个国家和 ?#20445;?个国?#21307;?立了总装厂将美国生产的汽车零?#32771;?#36816;往?#20998;ޣ?#20877;将这些零?#32771;?#23601;地装配 成车这样与整车运输相比一来可以?#26723;?#25104;本二来可避免长途运输对汽 车外表的损伤后来?#20998;?#21508;国政府为了保护本国的汽车工业开始对美 国汽?#21040;?#21475;增加关?#22467;?#29305;别对零?#32771;?#36827;口实行重?#22467;?#20110;是美国又采取了向欧 洲各国大量投资直接设厂的办法但此举仍?#36745;?#21040;一些国家的反对如法国

    和意大利就拒绝美国厂家的建厂投资?#20998;?#21508;国的汽车厂家虽不能用?#26723;?#21806; 价的办法与美国厂家竞争但他们充分利用?#20998;?#30340;技术优势使汽车的?#20998;?实现多样化使汽车的性能更适应?#20998;?#22269;家的自然条件社会环境和生活习 惯等不同要求从而以新颖的汽车产品与美国厂家争夺市场所以汽车在整 体结构整车布置方面的新式样如发动机前置前驱动后置后驱动?#24615;??#21280;?#36523;微型省油轿车等都在?#20998;?#39318;先出现这些新技术的研究和采用为 西欧各国汽车工业的发展奠定了基础随着石油工业的发展和公路网的建 设?#20998;?#30340;汽车工?#26723;?#20108;次大战后其总产量达到可与美国平分秋色的地步 汽车的发展为人们带来了方便同时也带来了新的问题如汽?#24403;?#26377; 量的增长使交通事故的发生率相应上升汽车发动机的废气?#27431;牛?#20351;空气 污染日趋?#29616;ء?#22312;二次大战之后各国政府积极采取措施?#32454;?#20132;通管理 不断完善公路交通安全法规以减少交通事故的发生同时对汽车废气的排 放做出限制以减轻由此造成的日益?#29616;?#30340;空气污?#23613;?主要汽车生产国概况 在 ?#20445;?世纪末汽?#26723;?#29983;之后到 ?#20445;?年第二次世界大战结束汽车主要 生产国有美国德国法国意大利和苏联 美国在这一期间无论从汽车的年产量还是销售量以及保有量与普及 ?#31034;?#21344;世界首位?#29627;?世纪初福特汽车公司以物美价廉的 型轿车占领了国 内市场?#20445;玻?年年产已达到 ?#29627;埃?万辆以上第一次世界大战之后美国经济 增长很快人民生活水平提高国内汽车市场出现了高档需求的倾向通用 汽车公司适应这一需求的变化不失时机地以较高档次普及型轿车开辟了新 的市场通用汽车公司建立了大量销售体系因此自 ?#20445;常?年以来在汽车销售 方面一?#26412;?#20110;首席地位美国政府有意识地引导人民购买轿车强化了美国 人民对汽车的需求因而为美国的汽车工业提供了宏大的国内市场也使美 国的汽车厂家较早地具备了国?#36866;?#22330;的竞争能力在美国建立较早也是较大 的三家汽车公司是福特汽车公?#23613;?#36890;用汽车公?#23613;?#20811;莱斯勒汽车公司它们 分别建立于 ?#20445;埃?年?#20445;埃?年?#20445;玻?年这三家公司被称为美国汽车工业 的三巨头?#34180;?#22312;汽车工?#23548;本?#21457;展的 ?#20445;埃?年至 ?#20445;玻?年美国先后建立了 ?#20445;福?家汽车厂其中 ?#20445;常?家在 ?#20445;玻?年宣告撤销?#29627;?世纪 ?#24120;?年代由于世界 性的经济萧条 美国轿车的销售量大幅下降 ?#20445;常?年只有 ?#20445;保?万辆 直到 ?#20445;常?年才?#25351;?#21040; ?#24120;?万?#23613;?#32780;三巨头的销售量之和占了全国汽车总销售量的 ?#22467;?#20197;上在二次世界大战中福特通用等公司转向生产军用物资战争 结束之后又出现了新一轮的汽?#31561;x?#21040; ?#20445;担?年美国国内的轿车需求量又 上升到 ?#25285;埃埃?万?#23613;?#21516;时市场对轿车的需求趋向于大型化豪华化 德国的汽车工业是从 ?#20445;?世纪 ?#31119;?年代发展起来的戴姆勒和本茨分别研 制成功汽?#31361;?#27773;车并各自成立了汽车制造公?#23613;??#20445;玻?年这两个公司合并 成立了戴姆勒本?#27169;?#22868;驰汽车公?#23613;?#21518;来又有奥贝尔等汽?#28783;?#19994;相继建 立?#20445;玻?年美国福特公司在德国建厂通用公司又于 ?#20445;玻?年?#31456;?#20102;奥贝尔 于是福特公司和通用公司成为德国最早的两家外资企业?#20445;常?年戴姆勒 本茨公司与奥迪等四个公司结成汽车联合体?#20445;常?年专门生产小型轿车的 大众汽车公司宣告成立在第二次世界大战期间德国的汽车工业基本毁于 战争战后的联邦德国汽车工业得到迅速发展?#20445;担?年汽车产量就达到 ?#24120;?多万辆超过了战前德国汽车生产的最高水平战后联邦德国的汽车生产 以国内的劳动阶层为目标大量生产普及型轿车由于联邦德国的汽车行业

    生产成本较高因此整?#23548;?#26684;的竞争力不强后来在联邦德国出现了多家汽 车零?#32771;?#20844;?#23613;?#36825;些零?#32771;?#20844;司在世界市场具有很强的竞争能力 法国的汽车工业起于 ?#20445;?世纪末 当时标致和?#30528;?#27773;车公司已开始了商业 性生产 其后雪铁龙在 ?#20445;保?年 西姆卡在 ?#20445;常?年也相继投产 在 ?#29627;?世纪初 法国还引进了英国和德国的技术以发展自己的汽车工业在二次世界大战之 前法国的汽车生产规模已达到 ?#29627;?万?#23613;?#25112;后法国的汽车工业已处于本国 支柱产?#26723;?#20301; 意大利是?#20998;?#26368;大的汽车消费市场之一它的汽车工业在 ?#20445;?世纪末起 步菲亚特公司是意大利最大的汽车制造公?#23613;?#33258; ?#20445;福?年该公司成立以来 便垄断了国内市场其产量占全国总产量的 ?#22467;?#20197;上而国营的阿尔发?罗 密欧公司和其他一些小公司其生产规模无法与之匹?#23567;?#22240;此意大利的汽车产 业为菲亚特所控制和左右?#20445;常?年意大利的汽车年产量约 万辆二次世 界大战后产量才有较大发展到 ?#20445;担?年年产量已超过 ?#20445;?万?#23613;?苏联在十月革命前汽车的生产规模很小当时仅有里加的俄罗斯波 罗车?#22659;?#20110; ?#20445;埃浮保保?年间生产了 ?#22467;埃?辆轿车和货车?#20445;玻?年苏联开始 生产载货汽车后来又从美国的福特公司引进了技术和设备在二次世界大 战前的 ?#20445;常?年汽车年产量达到 ?#29627;?万辆 战后迅速?#25351;?#24182;很快发展起来 ?#20445;玻?年莫斯科汽车制造厂开始生产轻型载货汽车 ?#20445;常?年达到近 万辆的生产规 模?#20445;玻?年苏联开始建设高尔基汽车厂?#20445;常?年 ?#31890;场?型小轿车在该厂投 入生产后来又有两个轿车厂建成它们是莫斯科轿车厂和伏尔加轿车厂 莫斯科轿车厂在二次大战前生产过 ?#21361;汀保??#25512;?#36710; 战后在 ?#20445;?年生产了莫 斯科人轿车伏尔加轿车厂专门生产拉达轿车其生产能力可达年产 万 ?#23613;?#27492;外在其他地?#20132;?#24314;立了一些小?#25512;?#36710;厂 ?#29627;?#20869;燃机的应用与航空航海事业的发展 除汽车外内燃机在航空和航海方面也建立了勋业?#20445;埃?年第一架飞 机用汽?#31361;?#39537;动由赖特?#20540;?#39550;驶试航成功虽然这架用螺旋浆推进的滑翔 机留空时间仅有 ?#25285;?秒种?#23578;?#39640;度不过 ?#29627;?米但这次空中?#23578;?#21364;是人类 千百年来美好向往的第一次胜利尝试 ?#20445;埃?年法国工程师布莱里奥特驾驶飞 机飞越了英吉利海峡从此飞机的发展引起了社会的广泛重视飞机的制造 技术和性能不断得到改进并完全进入实用阶段中国的冯如谢缵泰等也 于这一时期在国外各自独立地研究飞机尤其是冯如的飞机性能良好?#20445;保?年运回中国遗憾的是在国内未能得到进一步发展第一次世界大战期间 德国将飞机用于战争给人类带来了灾难和恐惧然而也使军用飞机获得飞 快的发展战争的需要使飞机的?#23578;?#36895;?#21462;?#29228;高能力和航行距离不断提高 而这又有赖于增压发动机 ?#26032;?#22686;压发动机和变螺距螺旋浆等技术突破 ?#20445;玻?年林德伯格驾驶飞机从纽约直飞巴黎此后航空事业才获得大发展内 燃机在船舶制造中的应用使航海事业出现了新的景象?#20445;埃?年第一艘内 燃机轮船建造成功?#20445;埃?年柴?#31361;?#25104;为潜水艇的动力机?#20445;保?年第一艘 柴?#31361;?#39537;动的远洋货轮下水此外?#20445;保?年拖拉机开始大批生产?#21476;?#19994; 迈进机械化的新里程?#20445;保?年以柴?#31361;?#20026;动力的内燃机?#20302;?#20837;运行揭开 了铁路运输史的灿烂篇章

    三第二次动力革命电力的发展和应用 电当人类感知到它的存在的时候便以极大的好奇心展开了对电现象 的观察与研究电学当其开始时仅仅是在静电学的?#27573;?#20869;徘?#29627;?#32780;在 ?#20445;?世纪的最后一年意大利人伏打?#20445;P保福玻P?#21457;明了伏打电堆使化学能 转化为电能电学才迈出了静电学的?#21015;?#21306;域因此伏打电堆可称为电学 转变的一个重要标?#23613;?#36827;入 ?#20445;?世纪之后电化学和电磁学的研究一度取得了 惊人的成就 但随后又陷入了停滞不前的境地 恰在此时 英国人法拉第 ?#20445;P??#20445;福P?#24320;始了转磁为电的研究?#20445;福常?年 月 ?#29627;?日法拉第成功地进 行了电磁感应的实验?#20445;?月底又创制了第一部感应发电机的模型真可 谓一发而不可收从此电的研究和应用迅速发展起来电作为一?#20013;?#30340;强 大的能源开始在人类的生产生活中发挥着日益巨大的作用 ?#20445;?#30005;力技术的发展 ?#20445;?#21457;电机电动机的革新和应用 在生产需要的直接推动下具有实用价值的发电机和电动机相继问世 并在应用户不断得到改进和完善初始阶段的发电机是?#26469;?#24335;发电机即用 永久磁铁作为场磁铁由于永久磁铁本身磁场强度有限因而?#26469;?#24335;电机不 能提供强大的电力故缺乏实用性要增大发电机的输出功率使其达到实 用要求就要对发电机的各个组成部分进行改造发电机的主要?#32771;?#26159;场磁 铁电枢集电环和电刷首先用电磁铁取代永久磁铁取得了极大成功 ?#20445;福?年英国物理学?#19968;?#26031;通?#20445;福埃病保福P担?#36890;过外加电源给线圈励?#29275;指?#36827; 了电枢绕组从而制成了第一台电磁铁发电机?#20445;福?年德国科学家西门子 ?#20445;福保丁保福玻?#21046;成了第一台使用电磁铁的自激式发电机西门子发电机的 成功标志着建造大容量电机从而获得强大电力在技术上已经取得突破 因此西门子发电机在电学发展史上具有划时代的意义 自激原理的发现是?#26469;?#24335;发电机向励磁式发电机发展的关键?#26041;ڡ?#33258;激 是指直流发电机利用本身感应的电功率的一部分去激发场磁铁从而形成电 磁铁在发电机的改进过程中磁场的变化经历了从?#26469;?#21040;励?#29275;?#32780;电流励 磁又经历了从他激?#38454;?#28608;自激又经历了从串激到并激再到复激的发展过 程因此直流电机按其励磁方法的不同又可分为他激和自激两类而自激电 机又包括了串激并激?#36879;?#28608;三?#20013;问健??#20445;福P?年比利时人格拉姆?#20445;福玻丁保埃保?#20381;靠瓦利所提出的原理并采用 了意大利人帕契?#26723;٣保福薄保保玻保福?年发明的齿状电枢结构创造了环 形无槽闭合电枢绕组制成了环形电枢自激直流发电机?#20445;福P?年德国电气 工程师赫夫纳?阿尔特涅克?#20445;福保埃?#23545;直流电机的电枢又作了改进 研制成功鼓状电枢自激直流发电机他吸取了格拉姆和帕契?#26723;?#30005;机转子的 优点简化了制造方法因而大大提高了发电机的效率?#26723;?#20102;发电机的生 产成本使发电机进入到实用阶段至此直流发电机的基本结构已达到定 型化?#20445;福福?年美国的爱迪生?#20445;福E保常保?#21046;造出了名为巨象机的大 型直流发电机并于 ?#20445;福福?年在巴黎博览会上展出 与此同时电动机的研制工作也在进行之中?#20445;?世纪初叶在法拉第制 出电动机模型后不久美国的一位机械工人达文波特?#20445;福埃病保福担保?#22312; ?#20445;福常?br />
    年用电动机带动木工旋?#29627;??#20445;福?年又带动报?#25509;?#21047;机 ?#20445;福常?年俄国物理学家 雅可比?#20445;福埃薄保福P?#21457;明了功率为 ?#20445;?瓦的棒状铁心电动机?#20445;福常?年他在 涅瓦河上作了用电动机驱动船舶的实验可以说发电机和电动机是同一种机 器的两种不同的功能用其作为电流输出装置就是发电机用其作为动力供 给装置就是电动机又称马达电机的这一可逆原理偶然在 ?#20445;福P?年获得证 明是年在维也纳的工业展览会上由于一位工人的操作失误竟把一对 电线错接到一台正在运行的格拉姆发电机上结果发现这台发电机的转子改 变了?#36739;}?#36805;即向相反的?#36739;?#36716;动变成了一台电动机在此以前电动机 和发电机是各自独立发展的从此以后人们认识到直流电机既可作发电机 运行也可作电动机运行的可逆现象这意外之发现对电机的设计制造产 生了深刻的影响 随着发电 供电技术的发展 电机的设计和制造也日趋完善和先进 ?#20445;福P?年产生了铁心开槽法把绕组的直线放入槽内以?#24551;?#32469;组的稳固?#22270;?#23569;导 线内部的涡流损耗那时出现的有槽铁心和鼓形绕组的结构一直沿用?#20004;??#20445;福福?年爱迪生提出了薄片叠集铁心法马克西提出铁心径向通风道原理解决 了铁心的散?#20219;?#39064; ?#20445;福福?年韦斯通提出了双层电枢绕组 ?#20445;福福?年克莱格提出 了叠片磁极 ?#20445;福福?年曼奇斯发明补偿绕组和换向极 ?#20445;福福?年福勃斯提出用炭 粉末制造电刷 ?#20445;福福?年霍?#25112;?#29983;?#20540;?#30830;立了磁路计算方法 ?#20445;福?年阿?#26723;?#24314; 立了直流电枢绕组的理论到 ?#20445;?世纪 年代直流电机已具有了现代直流 电机的一切结构的特点 在?#26102;?#20027;义迅速发展商品竞争日益加剧的形势下新技术的采用往往 成为维持生计藉以发展和出奇制胜的武器?#20445;?世纪后期电动机的使用已相 当普遍电锯?#33633;病?#36215;重机?#39038;?#26426;岩石钻等?#23478;?#30001;电动机带动甚至 电磨牙医电钻家用吸尘器等也都用上了电动机 尽管直流电机已?#36824;?#27867;使用并在应用中产生了可观的经济效益但其 自身的缺点却制约了它的进一步发展这就是它不能解决远距离输电也不 能解决电压高低的变换问题这时人们想到了曾被冷落的交流电恰好交 流电有解决这两个问题的本事于是交流电机?#21490;?#20854;时获得了迅速发展在 此期间两相电动机和三相电动机相继问世 ?#20445;福P?年俄国科学家亚布洛契可夫 制成了一部多相交流发电机?#20445;福福?年意大利物理学家加利莱奥?费拉里斯 ?#20445;福薄保福P?提出了旋转磁场原理 并研制出了二相异步电动机模型 ?#20445;福福?年美国的尼古拉?特斯拉也独立地研制出二相异步电动机起初他们?#21069;?#20960; 个线圈按幅射?#30913;?#25104;一圈接通交流电各个线圈中的交流电的?#24503;?#30456;同 但其电压值和电流值有相移于是在线圈之间的空间就形成了旋转磁场 磁场带动金属使之产生旋转运动据此他们研制成功两相异步电动机俄国 工程师多里沃多勃罗沃尔斯基 ?#20445;福病保保?于 ?#20445;福福?年研制成第一台实用 的三相交流单鼠笼异步电动机并发明第一台双鼠笼三相异步电动机交流 电机的研制和发展特别是三相交流电机的研制成功为远距离输电创造了条 件同时把电工技术提高到一个新的阶段 ?#29627;?#26089;期电站的建立及输电技术的发展 电机制造技术的发展和电能应用?#27573;?#30340;扩大以及生产对电需要的迅速增 长都大大促进了发电厂和发电站的建设这些电厂电站最初都是?#21448;?#27969; 发电开始的?#20445;福P?年法国巴黎火车站建立了世界最早的一座火力发电厂 ?#20445;福福?年爱迪生电气照明公?#23613;?#39318;先建成了电力站和电力网能发电 ?#22467;?br />
    马力可供 ?#29627;埃?个灯泡用电?#20445;福福?年美国纽约和英国伦敦等大城市先后 建成中心发电厂?#20445;福福?年美国兴建第一座水力发电站之后水力发电逐步 发展起来到 ?#20445;福?年纽约又建立了容量为 万千瓦的火力发电站用 ?#31119;?台锅炉推动 ?#20445;?台大型蒸汽机为发电机提供动力 直流电站的供电?#27573;?#21313;分有限从最初只能供应一?#33018;?#23376;或一条?#20540;?#30340; 住户式发电站逐步扩大到可供应几平方公里内用户用电的中心电?#23613;?#20294; 再扩大供电?#27573;?#30452;流电站已力不胜任了于是代之而起的是交流电站的建 立 ?#20445;福福?年英国工程师菲尔?#19981;?#35774;计的第一座交流单相发电站建成发电这 座电站建在距伦敦 ?#20445;?公里的捷伯特弗尔得发电机功率为 ?#20445;埃埃?千瓦电压 高达 ?#29627;担埃?伏经变压后升高到 万伏向伦敦输送经过几次变压输入用户时 为 ?#20445;埃?伏?#20445;福福?年由费?#23454;٣保福础保常埃?#35774;计建设在泰晤士?#20248;?#30340;伦敦 大型交流发电站开?#38469;?#30005;其输出电压高达 ?#20445;埃埃埃?伏经两级变压输送到用 户?#20445;福?年俄罗斯建成了当时最大的单相交流发电站其功率为 ?#31119;埃?千瓦 由四台蒸汽机提供动力发电?#20445;福?年法国建成了第一座三相交流发电?#23613;?#25226; 交流电站的发展向前推进了一步随后美国于 ?#20445;福?年建成了第一座三相交 流发电站并于 ?#20445;福?年建成了尼亚加拉 ?#25285;埃埃?马力的交流水电?#23613;?当电这?#20013;?#30340;能源刚刚来到世界的时候它的主要作用是作为照明的光 ?#30784;?#25226;电发出来再把它输?#36879;?#29992;户当然输送的距离越远经济价值越大 在远距离输电方面直流电首先进行了尝试第一条直流输电线路在 ?#20445;福P?年出现长度仅有 公里而世界第一条远距离直流输电实验线路是由法国 人建立的?#20445;福福?年法国物理学家和电气工程师德普勒?#20445;福场保保福?#30001;德国 葛依吉工厂?#25163;?#22312;慕尼黑国际博览会上展出了一条实验高压直流输电线路 把米斯巴赫一台容量为 马力的水轮发电机发出的电能 输送到相距 ?#25285;?公里 的慕尼黑驱动博览会上的一台水泵造成了一个人工喷泉这一成功表现出 电力的巨大潜力证明了远距离输电的可能性在这次实验中线路?#32423;?#30005; 压为 ?#20445;常?伏末端降至 ?#31119;担?伏输送功率不到 ?#29627;埃?瓦线损达 ?#31119;得?效率较低在直流输电的发展过程中经过技术改进曾一?#21364;?#21040;甚为可观的 水平直流电机能发出电压高达 ?#25285;P?千伏功率 ?#25285;?千瓦的电输送距离 达到 ?#20445;福?公里但这?#36136;?#22836;很快达到了技术上的极限难以再取得新的进展 从焦耳楞次定律可知输送相同容量的电能电压愈高?#20154;?#32791;就愈小要 ?#26144;?#36755;电距离增大输电容量而又减少输电损失最为有效的办法就是提 高输电电压由于当时的直流输电只能靠发电机的电压把电力输?#36879;?#29992;户 因此若使直流电大幅度地升压或降压在当时是难以想象的而用户的电压 一般又要求在 ?#29627;担?伏以下直接使用高压既不安全也不经济在这种情况下 交流输电显示了其优越性因而导致了交流高压输电方式的发展 交流输电技术最早获得成功的是俄国的亚布洛契可夫 他在 ?#20445;福P?至 ?#20445;福P?年试验成功了单相交流输电技术?#20445;福福?年前后英国的费?#23454;?#25913;进了交流发 电机并力主采用交流高压输电方式?#20445;福福?年英国的高登制造了大型二相交 流发电机?#20445;福福?年法国人高兰德?#20445;福担保福福福?#21644;英国人?#24049;?吉布斯获得 了照明和动力用电分配办法的专利并研制成功了第一台具有实用价值 的变压器可以说它是交流输配电系统中的主要设备或心脏部分变压器 的基本结构是铁心和绕组以及油箱和绝缘套管等?#32771;?#23427;所依据的工作原 理是法拉第在 ?#20445;福常?年发现的互感现象?#20174;?#20110;一个电路中电流变化而在邻

    近另一电路中引起感生电动势的现象在同一铁心上绕上原线圈?#36879;?#32447;圈 如在原线圈中通入交变电流由于电流的不断变化而使其产生的磁场也随 之不断变化在副线圈中也就感应出电动势来变压器靠这一工作原理把 发电机输出的电压升高而在用户那里又把电压?#26723;汀?#26377;了变压器可以说就 具备了高压交流输电的基本条件?#20445;福福?年英国人埃德瓦德霍?#25112;?#29983;?#20445;福担??#20445;玻玻?#21448;发明了具有封闭磁路的变压器?#20445;福福?年威斯汀豪斯?#20445;福丁??#20445;保?#23545;高拉德?#22270;?#24067;斯变压器的结构又进行了改进使之成为一台具有现 代性能的变压器?#20445;福?年布洛在瑞?#24656;?#36896;出高压油浸变压器后又研制出巨 ?#36879;?#21387;变压器由于变压器的不?#32454;?#36827;使远距离高压交流输电取得了长足 的进步 在采用直流输电还是交流输电的问题上曾产生过一场争论当时在美国 电气界最负盛名的大发明家爱迪生和对电气化作出了重要贡献的著名英国物 理学家威廉?汤姆生即开尔文勋爵以及罗克斯?克隆普顿?#20445;福保埃?等人?#25216;?#21147;反对使用交流输电主张发展直流输电方式而英国的费?#23454;١?高登等人和美国的威斯汀豪斯特斯拉?#20445;福担E保常?#26031;普拉戈?#20445;福担E??#20445;常?#31561;人则力主采用交流输电随着输电技术的发展交流电很快取代了 直流电这场关于交直流输电方式的争论最终以力主交流输电派的取胜 而告结束 远距离输电问题的根本解决是三相交流理论的形成与技术发明的结果 ?#20445;福福E保福?年德国电机制造公司取得了三相交流技术的成功其主要发明者 是在德国瑞士工作的俄国电工学家多里沃多勃罗沃尔斯基他在 ?#20445;福福?年制成最早的一台功率为 ?#20445;埃?瓦的三相交流异步发电机 ?#20445;福?年又制成了 千瓦的三相交流异步电动机和 ?#20445;担?千伏安的三相变压器是他在电能应用 中首次采用了三相制?#20445;福?年多里沃多勃罗沃尔斯基在德国法兰克福的 电气技术博览会上成功地进行了远距离三相交流输电实验他将 ?#20445;福?公里 外三相交流发电机发出的电能用 ?#31119;担埃?伏的高?#39038;?#30005;输电效率达到 ?#25285;?在当时的条件下如此高的传输效率是直流输电所不能办到的从此高压 交流输电的有效性和优越性得到了公认由于交流输电的发展和成功美国 当时正在准备建设的尼亚加拉水电站最?#31449;?#23450;采用三相交流输电系统威斯 汀豪斯为其公司争得了这座水电站的承建合同从 ?#20445;福?年开始建设?#20445;福?年建成?#20445;福?年投入运行这座发电站的总容量近 ?#20445;?万千瓦它将发出的 ?#25285;埃埃?伏电压的电用变压器升至 ?#20445;保埃埃?伏输送到距离 公里的巴法罗?#23567;?电力的作用已不仅仅是用于照明而开始成为新兴工业的动力和能?#30784;?电力的应用和输电技术的发展促使一大批新的工业部门相继产生首 先是与电力生产有关的行业如电机变压器绝缘材料线路器材等电力 设备的制造安装维修和运行等生产部?#29275;?#20854;次是以电作为动力和能源的 行业如照明电镀电解电车电梯等工业交通部?#29275;?#21478;外还有各种与 生产生活有关的新的电器生产部门也相继出现了这种发展的结果又反 过来促进了发电?#36879;?#21387;输电技术的提高到 ?#20445;埃?年输电电压达到 万伏第 一次世界大战前夕输电电压达到 ?#20445;?万伏 ?#29627;?世纪初发电输电配电形成了以交流发电机为核心以汽轮机 涡 轮机水轮机等为动力以变压器等组成的输配电系统为动脉的变压输电 网使电力的生产应用达到较高的水平并具有相当的规模从此电力 取代了蒸汽使人类历史迈进了电气化时代电的应用很快渗透到人类社

    会生产生活的各个领域它不仅创造了极大的生产力而且促进了人类文 明的巨大进步并导致了第二次动力革命使 ?#29627;?世纪成为电气化世纪?#34180;??#29627;?#30005;力的应用 电从它被发现的那一天起科学家们就预见了它的重大意义和广泛用 ?#23613;?#33521;国科学家法拉第经过 年的努力终于发现了感应电流验证了他的 磁可以生电的想法迎来了电力时代的新曙光此后随着电力技术的进步 电在各行各业的应用迅速发展起来 ?#20445;?#30005;灯泡的发明和爱迪生的贡献 从钻木取火到电灯照明少说也经过了若干万年在科学研究和技术 发明的道路上遍布着人类征服黑暗寻找光源的累累足迹别的不说只说 电灯?#27492;?#23567;小的电灯泡但其发展的历史却凝聚着几代发明者的智慧和心 血 早在 ?#20445;福埃?年 英国大化学家戴维发明了弧光灯 这虽是一?#26234;?#20809;源灯具 但其在使用上尚有不少缺陷比如用来产生弧光的炭棒在点燃时必须经常移 动因此操作不便?#36745;?#26377;炭棒燃烧时会产生大量二氧化碳造成空气污染还有 弧光灯需用成本昂贵的大功率电池供电代价太高因此在英国弧光灯除了 安装在沿海的灯塔上没能在更大?#27573;?#36827;行推广后来科学家们将电照明 的研究重点集中在白炽灯方面最初法国的德?拉?留在 ?#20445;福玻?年制成了用白 金线做灯丝的白炽灯 但因白金太贵无法实现大量生产 ?#20445;福担?年海因里希? 戈 贝尔?#20445;福保浮保福常?#25226;碳化的竹子纤维放在玻璃管内抽去空气通电时可以 发?#31890;?#20294;这?#20540;?#23551;命很短制造也很困难后来俄国人罗德维金于 ?#20445;福P?年发 明了一种?#19978;及?#20316;发光体的白炽电灯这?#20540;?#36866;用于?#20540;?#29031;明但对室内 却不适用在 ?#20445;福P?年英国化学家斯旺发明了碳?#23454;?#19997;并点亮了一盏白炽 灯但他的碳丝灯泡寿命太短当时?#24120;?岁的爱迪生宣布立志要解决这个难 题在总结以往经验教训的基础上为了?#19994;?#19968;种理想的灯丝爱迪生和他 的助手先后试验了 ?#20445;埃?多种耐热材?#24076;?#32463;历了种种挫折和失败终于?#19994;?了一种适用的灯丝材?#24076;?#36825;就是碳化了的绵线?#20445;福P?年 ?#20445;?月 ?#29627;?日爱迪生 用这?#20540;?#19997;做成灯泡抽去空气电灯发光?#20013;?#20102; 个小时到 ?#20445;福福?年 月经他们实验过的植物纤维多达 ?#22467;埃?余种后来爱迪生又试验成功用碳化 后的竹丝作灯丝这?#20540;?#27873;竟能连续点燃 ?#20445;玻埃?个小时随后这?#20540;?#27873;开?#32426;?入大量生产从此电灯从试用阶段转入了实用阶段然而白炽灯泡的改进 仍在继续?#20445;保?年美国通用电气公司的库利奇?#20445;福P场保P担?#37319;用耐热金属 钨?#24656;?#36896;灯丝代替了爱迪生的碳丝效果更好?#20445;保?年?#27982;?#23572;?#20445;福福薄??#20445;担P?#21448;首创在灯泡内充入惰?#20113;?#20307;的氮气以避免灯丝在真空中蒸发烧?#24076;?从而大大?#26144;?#20102;白炽灯的寿命 ?#20445;玻?年又采用氩气和氪气使灯丝能达到更高 的?#38706;x?#28783;的?#28860;?#20063;更强而灯丝的寿命并?#27492;?#30701; 随着科学技术的发展电力照明工具也在不断得到改进在白炽灯的导 引下许多新的电光源相继来到世间 在电力技术革命中爱迪生可谓是功勋卓著的发明家由于他的杰出贡 献而使其享有发明大王的美誉 ?#20445;福?年 月 ?#20445;?日汤姆斯?爱迪生出生在美国俄亥俄州的米兰镇一 个农民的家庭由于家?#31216;?#22256;爱迪生在 岁的时候便随?#25913;?#25644;到密执安 州的休伦爱迪生?#26377;?#24576;有一颗强烈的好奇心他时常被大自然和生活中的

    种种现象引入冥思苦想之中大凡新奇的东西他都想看个究竟对于不解 的问题他总要打破砂锅?#23454;?#24213;于是在上小学时他常常向老师提出一 些稀奇古怪的问题弄得老师莫名其妙却又无可奈何有时甚至搞得老师极 为难堪由于爱迪生的心思不在学堂而另有所?#27169;?#22240;此每每考试倒数第一 有一天老师请来了爱迪生的母亲向她?#26723;?#29233;迪生是天生愚笨不堪造就 干脆让他退学算了母亲无奈只好答应爱迪生从此就离开了学堂孰不 知好奇是创造的先导?#36824;?#24322;的思索往往蕴含着发明的火花 爱迪生的母亲是一位受过良好教育的妇女对小爱迪生怀着深深的母 爱她不相信自己的小汤姆是个庸才决心把教育爱迪生的重担独自?#26800;?#19979; 来在母亲的教导下?#20445;?岁的爱迪生就阅读了科普读物博物教科书和法 拉第的电学著作还阅读了其他许多书籍爱迪生广为涉猎各方面的知识 并对科学实验产生了极大兴趣后来爱迪生在自家的地窖里办起了实验 ?#25671;薄?#23545;此爱迪生的?#25913;?#38750;但没有反对反而被爱迪生的执着精神所感动 进而支持他的实验工作?#20445;?#20351;爱迪生在科学的道路上迈出了第一步 爱迪生 ?#20445;?岁的时候迫于生计他当了报童在从底特律到休伦的列车 上他一边卖报一边在借用的行李车里他的临时实验?#25671;保?#32487;续他的 实验由于不慎引起大火烧坏了车厢车长在暴怒之下狠狠打了他几记耳 光并将他赶下了列车爱迪生的右耳从此变聋了这意外的遭遇并没有 将他击倒反而使他成熟了许多在他 ?#20445;?岁那年有天早晨他曾冒着生命危 险从飞驰的火车前救出一个小孩作为感激的回报孩子的父亲毫无保留 地把自己掌握的电报技术传授给了爱迪生从此爱迪生就与电结下了不解之 缘后来爱迪生又当过报务?#20445;?#24182;曾多次失业饱受了颠沛流离之苦但无 论在何种险恶的情况下他仍一如继往地坚持着他所?#24433;?#30340;科学实验工作 爱迪生在有生之年做出的贡献可谓硕果累累无比辉煌他的发明创 造之多堪称世界之最雄居发明家之首?#29627;?岁时他发明了二重记报机?#20445;?提高了电文的抄?#27492;?#24230;和准确性后来他又发明了?#24052;镀奔?#24405;机?#34180;?#33258;动 电报机?#34180;?#33521;文打字机?#34180;?#30041;声机?#34180;?#30005;灯?#34180;?#30005;影?#34180;?#40614;克风?#34180;?油印机?#34180;?#33639;光镜?#34180;?#33988;电池?#34180;?#30005;车等等还提出并采用了直 流三线配电方式建立了发电输电供电照明一条龙的电力系统直到 ?#31119;?岁过后还在研究从草类提取橡胶爱迪生于 ?#20445;福P?年创办了实验室他组 织了一大批专门人才进行研究和实验打破了过去科学家靠单枪匹马进行科 学研究的习惯他所创办的实验室是世界上第一个工业实验?#25671;?#27627;无疑问 爱迪生这种对人才的组织使用方式也是一?#20013;?#30340;发明在他 ?#31119;?岁告别人世 的时候爱迪生的发明达到 ?#29627;埃埃?多项其中获得专利的就有 ?#20445;常玻?种之多 由此观之爱迪生获得发明大王的桂冠实属当然 爱迪生为人类的文明竭尽了自己的聪明和智慧但是知识的不足限制了 他的进一步发展由于他没有受过正规的学校教育因而缺乏系统的科学知 识他的发明创造主要靠经验和在?#23548;?#20013;摸索而缺乏科学理论的指导但 他对人类的贡献仍然是巨大的他留给后人的礼物是极其丰厚的他的杰出 的发明和顽强不息的进取精神使他永远深受世人的崇敬和怀念 ?#29627;?#20256;播?#30036;?#30340;魔具?#34180;?#30005;报电话和无线电 ?#30036;?#20256;递在发明电之前一直依靠古老的工具进行我国古代和古希腊 都曾用烽火作为传递?#30036;?#30340;信?#29275;?#21518;来我国出现的驿站也具有?#30036;?#20256;递的功 能这种原始的?#30036;?#20256;递方式在历史上一直沿用了很长时间可以说自古

    以来人们就期盼着这样的一天出现先进技术实现远距离快速通?#19969;?#29305; 别是对军事和商业来说及时准确的?#30036;?#20107;关生?#26469;?#20129;因此意义更加 重大需求更加迫?#23567;?#38543;着电力的发展和应用人类的梦想终于变成了现实 电报机的发明 电讯时代的到来首先是从电报机开始的在电报机的研制上真正取 得实用价值的第一部电报机是美国的莫尔斯?#20445;P薄保福P玻?#21457;明的在此之 前德俄英美法等国不少科学家和技术人?#20493;纪?#36523;于电报机的研究 并制出了各种类型的电报机自莫尔斯电报机问世之后便显示出比其他电 报机有更多的优越性因而能被普遍采用说来带有戏剧性本是画家的莫 尔斯却成了电报机的发明家一次偶然的机会竟改变了他的职业?#36739;}?#20351;他 走上了技术发明的新道路并成为实用电报机的奠基人莫尔斯曾在法国学 习了三年绘画?#20445;福常?年他在乘船?#24471;?#36884;中听到一个名叫杰克逊的青年讲述 电流通讯的知识于是对此产生了极大兴趣?#20445;福常?年他在担任纽?#38469;?#31435;大 学美术教授的时候就在自己的画室里进行电气通讯的实验并用旧的画框 制成了莫尔斯电报机?#20445;福常?年编制了莫尔斯电讯?#24597;?#24182;进行了一次公开的 表演实验把由电流的断续所组成的符号?#30036;?#25104;功地传递了 ?#25285;埃?米的距离 ?#20445;福常?年在纽约又进行了一次公开实验在 ?#20445;?公里的电讯通讯中获得成功 ?#20445;福?年莫尔斯电报机获得了专利 在莫尔斯电报机的发明过程中美国的电工学家亨利?#20445;PE保福P福?#21644; 威尔?#20445;福埃E保福担?#20063;做出了重要贡献亨利在 ?#20445;福玻?年发明的电磁铁为莫尔 斯电报机的诞生打下了基础亨利还在电磁学知识等方面给了莫尔斯以无保 留的帮助并且又把发明的继电器应用到电报机上威尔不但自己参加莫尔 斯的研究工作并说服父亲给莫尔斯以经济赞助为莫尔斯的研究提供?#24335;?和设备莫尔斯在威尔的协助下对电报系统做了许多改进如在远距离通 讯中采用了继电器并使用中继电源补充能量设计了用点划表示的莫尔斯 电码的最后形式研制出电键发明了音响器 莫尔斯电报机的?#26469;?#24615;贡献就在于他发明了莫尔斯电码这是其得以 推广的基础经过七八年的反复试验和宣传?#20445;福?年美国国会通过提?#31119;?#30001; 政府?#25163;? 万美元架设一条从华盛顿到巴尔的摩的试验性电报线路长度为 公里第二年线?#26041;?#25104;并成功地投入使用?#20445;福?年 月 ?#29627;?日莫尔?#21476;?发了有名的电文这是上帝创造的?#20445;?#20174;而胜利完成了这条线路的重大试验 由于莫尔斯电报机的成功美国政府用 ?#20445;?万美元买下了这项发明从此莫尔 斯电报机和电讯?#24597;?#20415;被各国普遍采用 ?#20445;福?年伦敦与高士堡之间的电报开 始对公众开?#29275;保福?年英国成立了电报公司?#20445;福?年纽约与波士顿之间纽 约与布法罗多伦多之间纽约与蒙特利尔之间费城与彼得斯堡之间的有 线电报线?#33539;家?#24314;成?#20445;福担?年莫尔斯电报系统开始应用到铁路线上?#20445;福担?年莫尔斯和西伯雷?#20445;福埃E保福福福?#23558; 家电报公司合并成立了威斯坦?埃 尼翁电报公?#23613;薄?莫尔斯电报机很快传到?#20998;ޣ?#21508;国在应用中又使其不断得到改进和完 善如用打字机代替接收机的音响器并直接打印出接?#26157;牛?#20854;速度可达 每分钟 ?#24120;?个字?#20445;福担?年美国人休兹?#20445;福常薄保埃埃?#21457;明印刷电报机使 通报速度提高到每分钟 ?#29627;担常埃?个字?#20445;福担?年英国的惠斯通?#20445;福埃病保福P担?发明了自动发报机第二年又将莫尔斯符号的穿孔纸带用于发报机使发报 速度提高到每分钟 ?#25285;埃?个字法国电报服务公司的职员博多?#20445;福保埃常?br />
    发明五单位电码成功地实现了多路电传打字电报系?#24120;?#21487;在一条线路上同 时拍发 种电文?#20445;福P?年法国正?#35762;?#29992;这个系?#24120;?#23427;与改进了的莫尔斯电 报机成为当时普遍使用的电报机类型 后来法莫尔?#20445;福常E保福常?#36827;行了增大线路通讯量的研究从 ?#20445;福担?年起他开始了在一条线路上利用继电器从相反两个?#36739;?#21516;时通讯的试验到 ?#20445;福担?年美国人斯蒂安斯?#20445;福玻丁保福P?#30340;二路通讯试验成功斯达克自 ?#20445;福担?年又开始进行同时同向的四路通讯研究到 ?#20445;福P?年由爱迪生完成这项发明 至此多路通讯技术亦取得?#19978;?#30340;成功 短程电报成功之后很快便成为人们生活中必不可少的通讯手段随着 垄?#29486;时?#30340;发展贸易?#27573;?#30340;扩大和证券交易的需要人们的眼光迅即又转 向了远距离通?#19969;?#22312;一段时间内为了?#20302;?#28023;洋两?#19969;?#22823;洋两岸的?#30036;?#25975; 设海底电缆遂形成了一般热?#34180;??#20445;福保福担?年间 布?#31243;Q值ܡ?#24067;?#31243;? 雅 克比?#20445;福埃浮保福福?#21644;布?#31243;??#24049;玻保福埃保福福福?#25975;设了穿越英吉利海峡 的海底电?#38534;??#20445;福担?年伦敦与巴黎间的有线电讯开通随后英吉利与爱尔兰 德国间的海底有线电报线路也开辟成功?#20445;福担础保福担?年敷设了贯穿地中侮 和黑海的海底电缆就是通过这条电缆英法和?#28860;?#20854;三国之间进行联系 指挥其军队围攻俄国的塞瓦斯托波尔?#24688;保福担?年美国造纸业巨头菲尔德 ?#20445;福保保福玻?#20986;面筹办敷设大西洋底电缆的浩大工程耗资达 ?#24120;埃?万美元 ?#23391;?#24037;程于 ?#20445;福担?年 月开始?#20445;福担?年 月竣工由于当时使用电压过高 致使电缆绝缘破坏而告失败 ?#20445;福?年继续敷设 亦无结果 ?#20445;福?年再次敷设 终获成功接着又敷设了第三条电?#38534;?#36825;项规模宏大的工程是在英国的汤 姆生?#20445;福玻础保埃P?#39046;导下进行的他为海底电?#36335;?#35774;工程解决了不少理论 难题并发明了灵敏度更高的?#24471;?#30005;流计作为接受端的讯号接收器因而解 决了传输电压不必提高的问题于是横跨大西洋连接欧美两大洲的海底通 讯线?#26041;?#24320;了人类?#30036;?#24448;来的新篇章接着又一项巨大的电?#36335;?#35774;工程于 ?#20445;福?年宣告完成它起于英国的伦敦穿过?#20998;?#22823;陆然后部分沿着陆地 部分通过水下到达印度的卡里卡特城全长达一万海里?#20445;?世纪末完成了从 印度到澳大利亚的电?#36335;?#35774;?#20445;埃?年电缆穿过太平洋把加拿大和澳大利 亚连在一起从此远距离通讯便迅速发展起来 电报机的问世给人类带来了极大的方便同时推动了工业的发展也 ?#24551;?#20102;各国?#36879;?#22320;区间的联系 ڡ电话机的问世 在电报机发明之后或许就在研究有线电报的同时就有人在想能用 电直接传送有声语言该有多好原因是随着?#26102;?#20027;义工业化程度的提高城 市迅速得到发展企业办事机构和人际交往都迫切希望能实现快速简便 准确的通讯实现超距离的对话在电报通讯成功之后它确为人类提供了 一种划时代的?#30036;?#20256;递手段但这种通?#26007;?#24335;要用编码作中介把文字翻译 成点划符号拍发出去接收之后还要再转译成原来的文字所以使用起来 不很方便在研究用电传送声音方面最早的涉足者要算是德国物理学家赖 斯?#20445;福常础保福P?#20182;用?#23601;?#20223;造人耳制造了一个发话器上面固定有肠衣 薄膜薄膜上附有一块金属薄片薄膜随声音振动时金属片就不断地和另一 个金属片接触通过电?#26041;?#35302;电阻的变化引起电流大小的改变受话器是一 个绕上绝缘线的勾针勾针用两个小支架固定在共鸣箱里当断续的电流通 过线圈时就会发出声音来试验成功后赖斯在 ?#20445;福?年的法兰克福物理学会

    上做过公开演?#23613;?#30001;于这种装置通?#27602;?#31163;十分有限声音效果又不甚理想 所以没有得到推广应用但它确是能直接传送声音的第一个装置赖斯将这 种声电转换装置称之为电话?#34180;?继赖斯之后 在实用电话研究中首?#28982;?#24471;成功的是美国发明家葛拉汉? 贝 尔?#20445;福E保玻玻?#36125;尔生于英国的爱丁堡?#20445;福P?年移居加拿大后又移居 美国贝尔一家三代都是研究语言学的他的祖父安德鲁?贝尔具有演说才 能曾为电影配音解说他的父亲?#33539;?#32500;尔?贝尔从事对聋哑人的语?#36234;?#32946; 贝尔本人也曾从事聋哑语言的教学和研究当贝尔得知赫尔姆霍茨关于电磁 铁能够引起音叉振动的实验以后便开始考虑通过电线传递声音的可能性 ?#20445;福P?年他移居美国后曾在波士顿大学担任生理学教授在此期间他在年 轻助手华特逊?#20445;福担础保常?#30340;协助下进行了利用电流传递声音的一系列 实验为了证明通过?#21892;?#22312;磁铁附近的振动可以引起电流强弱的改变反之 电流强弱的改变又会使磁铁附近的?#21892;?#21457;出声音贝尔便在试验中把音叉放 在带铁芯的线圈前面音叉振动时会在线圈中产生强?#20154;?#22768;音变化的?#20013;?电流如果把此电流输送到电线另一端的同样线圈内就会使该线圈前面的 音叉发出和前一个音叉同样的声音于是贝尔在实验成功之后便于 ?#20445;福P?年 月 ?#20445;?日向美国政府申请了发明电话的专利 此后贝尔在华特逊的协助下继续对他的实验装置进行改进尤其是将 送话器端的线圈与受话器端同一装置的线圈相联随着感生电流和磁场的变 化受话器的?#21892;?#23601;能发出与送话器?#20284;德?#30456;同的声音在 ?#20445;福P?年 月 ?#20445;?日的一次实验中华特逊通过上述装置清楚地听到了贝尔从另一?#32771;?#21457;出的 声音这一天贝尔在写给母亲的信中说?#22467;保福P?年 月 ?#20445;?日这一天对我 而言真是个值得纪念的日子我终于解决了实验上的难题在不久的将来 电话线将和自来水管瓦斯管一样普遍地?#35805;?#35013;在每个家庭里朋友们可 以在自己的家中彼此通话贝尔发明的电话机于 ?#20445;福P?年在纪念美国独立一 百周年的费城博览会上展出并?#21307;?#34892;了相距 ?#20445;担?米的通话表演在参观者 中引起了极大轰动说来也巧在 ?#20445;福P?年 月 ?#20445;?日和贝尔同一天向美国 专利局提出发明电话专利申请的还有一人他就是美国的格雷?#20445;福常? ?#20445;保埃?#26684;雷发明了一种类?#35780;?#26031;电话的装置与赖斯电话不同的是利用溶 液改变电阻从而改变电流强?#21462;?#30001;于其性能和声音传送效果远不如贝尔电 话机故其发明未能取胜于贝尔 贝尔电话的话筒和听筒合为一体既是发话器又是受话器作为听简使 用效果很好作为话筒使用效果却不理想?#20445;福P?年爱迪生发明碳精话?#29627;?#36865; 话声音显著清晰根据爱迪生的建议在话筒和线路之间再装上一个普通变 压器使贝尔电话进一步趋于完美?#20445;福P?年休兹?#20445;福常薄保埃埃?#21448;发明了 麦克风?#20445;?#36865;话质量得到进一步?#32435;ơ?贝尔在电话的研究过程中就已清楚地看到这一发明的社会需要和发展 前景在电话机问世之后贝尔为其推广应用广为宣传他到美国各地发表 演说和进行表演使更多的人了解了电话机的原理和功用?#20445;福P?年波士顿 的世界报收到了第一份用电话发出的新闻电讯稿这标志着电话已为公 众所采用?#20445;福P?年 月美国建立了第一个电话交换台中央电话局同 年贝尔受英国政府之邀赴英国协助架设电话线路?#20445;福P?年巴黎电话交换 台建成此后?#20998;?#35768;多城市相继建立了电话交换台和电话局?#20445;福福?年美国 在波士顿和纽约之间架设了第一条实用电话线路?#20445;福福?年在纽约和费城之

    间也架起了电话线随着电话的推广和应用电话机也不断得到改进和完善 通讯线路和电话交换装置也日趋先进?#20445;福?年美国的斯特罗齐尔?#20445;福E??#20445;埃担?#21448;发明了自动电话交换机到 ?#20445;保?年世界上已有 ?#20445;埃埃?万个电话用 户电话这一新的通讯工具很快得到普及和广泛应用 贝尔不仅是个发明家而且颇具宣传鼓动才能同时亦是个杰出的实业 家在发明电话后不久于 ?#20445;福福?年成立了贝尔电话公?#23613;保福?年该公司已 有职工 ?#20445;担埃埃?人垄断了美国的电话事业到 ?#20445;埃?年职工超过 ?#22467;埃埃?人贝 尔为电话的发明和通讯事业的发展做出了重大贡献 无线电的诞生 电报与电话的发明及应用给人类社会带来了方便和利益但电报与电话 这种通讯形式最初都是靠电流的有线传导来传递?#30036;?#30340;因此必然要受到 通讯线路的限制无线电通讯的成功则打破了线路的局限实现了通讯技术 的又一次重大飞?#23613;?#26080;线电通讯的发明是科学向技术转化的又一成果也是 ?#20445;?世纪末最主要的技术成就之一 无线电通讯的理论先驱是著名英国物理学家麦克斯韦?#20445;福常薄保福P?麦克斯韦在理论研究中以实验事实为基础他把全部电磁现象归结为两组 偏微分方程即电磁场基本方程式亦称麦克斯韦方程他的理论证实了 电磁过程是在空间的一定速度相当于光速传播的从而预见了电磁波的 存在?#20445;福P?年麦克斯韦在他所著的电磁学一书中曾经预言由于电磁波 的存在特别是电磁波以每秒 ?#24120;?万公里的速?#21364;?#25773;不久的将来在相距遥 远的两地之间建立起瞬时可达的通讯联络已经不再是一?#32622;?#24819;?#20445;福福?年 德国物理学家?#20806;x保福担E保福?#21457;现了电磁波从而证实了麦克斯韦的预 言?#20806;?#22312;研究过程中证明了电磁波具有和光相类似的特性如电磁波和 光波一样也具有反射折射干涉衍射偏振等性质特别是从它的频 率和波长直接确定了其传播速度等于光速为了纪念?#20806;?#22312;电磁波研究中的 贡献电磁波又被命名为?#26114;兆?#27874;?#34180;?#30005;磁波的发现有着非同寻常的意义 它的发现导致了科学技术的又一次重大变革特别是为有线电报向无线电报 的发展开辟了道路 电磁波的发现展示了极为诱人的前景此后不少科学家发明家把眼光 投向了电磁波把研究的?#36739;?#36716;向了无线电?#20806;?#39564;证电磁波存在的实验说 明使用快速振荡的电火花产生极高?#24503;?#30340;电磁波可以使在远处的导线回 路产生相同的电振荡这一原理显示无线电通讯的成功近在咫尺了法国 物理学?#20063;世保福础保埃保福?年改进了?#20806;?#30340;电波接?#20806;?#32622;可在 ?#20445;?米外接收到?#20806;?#30005;波英国物理学家洛奇?#20445;福担薄保埃?#23545;接收器又做 了进一步改进在 ?#31119;埃?米外成功地接收到莫尔斯电码发送来的信号在无线 电接收器的改进过程中检波器曾一度成了科学家们着力攻克的关键?#32771;?然而攻克这一难关在技术上取得突破真正使无线电进入实用阶段的重要 人物意大利人马可尼?#20445;福P础保常P?#24403;时仅是个名不见经传的 ?#29627;?岁的年轻人 ?#20445;福?年马可尼在意大利的电气?#21448;?#19978;读到?#20806;?#30340;实验和洛奇的 报告以后便立志献身于无线电技术的开拓事业他把自己家里的阁楼作为 实验室带着不顾一切的执着投入了忘我的实验工作父亲不理解马可尼的 行动更没有领悟到儿子工作的意义他认为马可尼是在做一种毫无意 义的游戏盛怒之下粗暴地毁坏了马可尼的实验设备?#20197;?#30340;是马可尼 的哥哥亚?#20154;?#32473;了弟弟极大的支持才使马可尼的研究得以继续马可尼在

    实验中发现如果将发送器和接收器的一端接地另一端接到天线上就能有 效地改进电波的发送和接收?#20445;福?年 月马可尼在哥哥亚?#20154;?#30340;协助下 终于成功地进行了第一次无线电传播实验马可尼将一块铁皮用作发射机的 天线在密封的玻璃管中装入镍粉和少量银粉并排除其中的空气制成了 较为理想的检波器?#20445;福?年马可尼用功率较大的发送器成功地将电波信号 传送到 ?#30149;?英里的地方当年便获得了发明专利权马可尼无线电实验的成 功使他的父亲深受感动父亲亲自陪伴他拜访意大利?#25910;?#37096;长希望获得 对这项发明的承认和支持但他们得到的却是鄙视与冷落因此马可尼又和 母亲一起来到英国在英国他得到了?#25910;?#37096;的热心支持马可尼在索尔贝林 平原上成功地进行了相距 ?#20445;?公里的无线电通?#19969;保福?年 月马可尼获得 了伦敦专利局批准的专利同年又在伦敦建立了马可尼无线电信公?#23613;?#30001;于 马可尼在英国的成功和影响意大利政府向他发出了回国工作的邀清马可 尼高兴地接受了邀请并将自己的公司更名为意大利无线电公?#23613;薄?对无线电通讯做出重要贡献的还有俄国物理学?#20063;?#27874;夫 ?#20445;福担保埃? 他于 ?#20445;福?年 月 日在彼得堡物理化学协会物理学部年会上 用他制成的世 界上第一台无线电接收机成功地进行了无线电通讯的公开实验波波夫曾任 俄国水雷学校?#22374;١?#22312;对无线电通讯系统的改进中他也设置了天线?#20445;福?年波波夫又实现了海上船舶间的无线电联系 ?#20445;福?年俄国海军在克?#36866;?#22612;得 建立了无线电报局波波夫所创造的无线电报设备在俄国军舰上获得了应 用?#20445;福?年马可尼成功地实现了跨越英吉利海峡的无线电通?#19969;保埃?年 ?#20445;?月 ?#20445;?日马可尼又将无线电讯号发射到大西洋彼岸?#21019;?#33521;国的?#20302;?#23572;传播 到加拿大的纽?#20381;迹?#20854;间相距 ?#29627;P埃?公里终于实现了越过大西洋的无线电联 系从此无线电通讯进入实用阶段使世界通讯事业出现了新的面貌此 后马可尼又研制出一套高效能的接收系?#24120;?#36827;一步改进和完善了无线电通 ?#19969;?#30001;于他对无线电通讯的杰出贡献在 ?#20445;埃?年和德国物理学?#20063;?#21171;恩共同 获得?#24403;?#23572;物理学?#34180;?无线电报的发明和应用引发了一系列重大的技术突破开辟了无线电 技术的新时代继无线电报成功之后无线电广播雷达电视等新技术相 继出现纷纷登场 无线电能够准确地传播莫尔斯电码自然人们就想到了能否用无线电直 接传播人的声音美国物理学家?#30740;?#30331;?#20445;福丁保常玻?#26089;就萌生了这样的念 头并且成为率先实现传声无线电的科学家?#30740;?#30331;原在爱迪生实验室工作 ?#20445;埃?年又到美国气象局从事无线电实验 ?#20445;埃?年他建立了专门的实验室开 始进行传声无线电的研究?#30740;?#30331;历经 年顽强的奋斗终于成功的设计制 造了一?#29366;?#25773;声音的无线电装置人类历史上第一个无线电广播电台在 ?#20445;埃?年圣诞节前进行了第一次播音这一天有些报务员从耳机中破天荒地 听到了空中传来的节日祝福 传声无线电的播音成功又?#30899;?#20102;?#25214;?#35013;置的迅速发展?#20445;埃?年英国电 气工程师弗莱明?#20445;福保担?#21457;明了具有检波作用的二极管美国的设计 师浮来斯特?#20445;福P场保保?#21448;于 ?#20445;埃?年发明了具有放大作用的三极管后来 美国电气工程师阿姆斯特?#35270;?#21457;明了超外差装置于是?#25214;?#26426;得以发展和推 广的条件趋于成熟

    四物理学革命与相对论的创立 ?#20445;?世纪末到 ?#29627;?世纪初是物理学发生巨大变革的年代相对论包括狭 义相对论及广义相对论和量子力学在这个世纪之交先后诞生这一场对经 典物理学的深刻革命使人们对自然界的认识深入到微观扩大?#38454;?#35266;并大 大推进了 ?#29627;?世纪人类社会和科学的进步 考虑到两个理论之主要成果产生的 时间相对论的创立将在本书中叙述而量子理论的建立留待世界现代后期 科技史中介绍 ?#20445;?#29421;义相对论的创立 ?#20445;?#32463;典物理学的内在矛盾和麦克尔逊莫雷实验的零结果 ?#20445;福?年?#27169;?#29275;顿?#20445;场保P玻P?#33258;然科学的数学原理的出版标志着 物理学的第一次大综合该著述集中了作者多年来潜心研究的成果他天才 地统一了伽利略?#20445;担础保玻?#30340;力学成就和开普勒?#20445;担P薄保常埃?#31561;所揭 示的星体运动规律提出运动三定律和万有引力定律形成了经典力学也 称牛顿力学或古典力学的理论体系后人为这个体系的进一步发展和完善 又作了许多出色的工作拉格朗日?#20445;P常丁保福保常?#30340;分析力学和拉普拉 斯?#20445;P保福玻P?#30340;天体力学?#25151;?#31216;经典力学的颠峰到 ?#20445;?世纪初经典 力学大厦几乎是尽善尽美?#34180;?#22362;不可摧了经典力学在各方面取得的 举世公认的巨大成功使所有的物理学家?#21450;?#21476;典力学看作是全部物理学 的甚至是全部自然科学的牢固的和最终的基础?#34180;??#20445;?世纪 年代麦克斯韦?#20445;福常薄保福P?#36816;用数学分析的方法类比 流体力学方程建立了一组偏微分方程概括了从库仑?#20445;P常丁保福埃?#39640; 斯 ?#20445;PPE保福担担?#22885;斯特 ȣã?#24076;壝}??#20445;PPE保福担保才??#31890;停粒w壝}??#20445;PP保福常?#21040;法拉第?#20572;ƣᣝ}保P薄保福P?#30340;工作把电磁运动的一 系列基本规律统一在包含以下四个方程的麦克斯韦方程组中 ? ? ? ?B ?? E = ? ?t ? ? ? ?D ? ? ?? H = ?t + J ? ? ?? D = ? ? ?? B = 0 他还证明了光就是一种电磁波从而把光电磁现象统一了起来 形成了经典电磁理论麦克斯韦的电磁理论在电磁场的传播和光学现象的研 究中取得了巨大的成功 至此许多人认为经典物理学已经形成了一个十分完备的体系人类 对自然的认识也已走到了尽头 后来成为世纪之交物理学革命先驱之一的德国物理学家普朗克?#20445;福担浮??#20445;P?#22312;德国慕尼黑大学求学时曾向他的老师物理学教授约里?#20445;福埃??#20445;福福?#34920;示了决心献身物理学事业的愿望这位教授却不已为然他说 年轻人为什么要断送自己的前途呢要知道理论物理学已经终结微 分方程已经确立它们的解法已经制定可供计算的只是个别的局部的情况

    可是把自己的一生献给这一事业值得吗约里的话代表了当时物理学 界许多人的看法?#27425;?#29702;学是一个有才华的年轻人已经不可能有所作为的领 域了 ?#20445;?世纪物理学界的元?#24076;?#22768;名显赫的威廉?汤姆生?#20445;福玻础保埃P?#21363;开 尔文勋爵当时也认为未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻 找也就是说未来的物理学研究者只能做一些修修?#20849;?#24037;作了然而随 着 ?#29627;?世纪的破晓而降临的物理学革命很快便否定了这种说法 这场革命的产 生是由于与经典物理学矛盾的实验事实的出现更由于经典物理学内部所存 在的矛盾即不统一性 我们知道任何自然过程总是发生在空间中的一定地点并经历一定的 时间因此表达物理规律必须有时间和空间的变量时间和空间的概念则 一直是物理学最根本和最重要的概念 在牛顿力学中时间和空间被视为是脱离物?#35797;?#21160;而独立存在的框架 空间是绝对不变不动的时间则是绝对均匀的这种绝对的时?#23637;?#31526;合人 们的日常经验也被认为是天经地义的 牛顿在他的名著自然科学的数学原理中写道绝对的真的数 学的时间 是自身在那里流?#29275;?它是?#20154;?#30340; 不与外界任何对象发生关系的 绝对的空间本身与任何客体无关永远保持不变且不动 牛顿的这种绝对时空概念似乎表明存在一个独特的绝对的参考系而 伽利略则指出一切取作机械运动的惯性参考系都是等价的根据力学规律 无法判断惯性系的优?#21360;?#25152;谓惯性参考系是指牛顿第一定律惯性定律 在其中成立的参考系例如地球就是一个近似程度很高的惯性参考系相 对地球作?#20154;?#30452;线运动的?#33633;?#20063;是惯性系在任何一个惯性系内的观察者不 可能用力学方法来测定此惯性系的运动状态这就是力学的相对性原理也 称伽利略相对性原理伽利略把这种相对性原理用数学的方法表达出来即 给出了两个惯性系之间时间和空间坐标的如下变换关系式 ? x' = x ? vt ? y' = y ? ? ? z' = t ? ? t' = t 这个关系式称为伽利略变换在伽利略变换下牛顿的运动方程在一切 惯性系中具有相同的形式牛顿方程在伽利略变换下保持不变的这?#20013;?#36136;称 为伽利?#23381;?#21464;性因此力学相对性原理也可以表述为?#22909;?#20889;力学规律的数学 方程式在所有惯性系中都具有相同的形式 伽利略相对性原理揭示了运动的相对性否定了绝对运动与牛顿绝对 时?#23637;?#20043;间存在着基本的内在矛盾它?#23548;?#19978;是现代相对论即相对性原理普 遍性的一个重要思想根源但是它没有也不可能直接发展为相对论相反 人们不但把相对性原理局限在力学?#27573;?#20869;而且很长一段时间仍苦苦寻找绝 对静止的参考系 经典力学的这些内在矛盾以及惯性系定义本身存在的循环定义等问题并 未动摇牛顿大厦在人们心中的权威性人们仍习惯用古典力学来解释一切自 然现象在声学领域这种努力取得了成功声音被解释为传声媒质中的纵 波传播的速度决定于媒质的弹性模量与媒质密度之商的开平方声音不能

    在真空中传播力学几乎可以解释声学的一切现象那么对光的现象呢 光的波动说最早由胡克?#20445;常保P埃常?#25552;出并为惠更斯?#20445;玻保担?进一步发展在很长的时间里直到 ?#29627;?世纪初人们对波的理解只局限于某 ?#32622;?#36136;的力学振动这?#32622;?#36136;就称为波的荷载体或载体如水波的荷载体是 水声波的荷载体是气体液体固体?#21364;?#22768;媒质光与声音不同它可以 在真空中传播那么光波的荷载物是什么呢惠更斯最早想到了以太?#34180;?在古希?#22467;?#20197;太指青天或上层大气在古宇宙学中以太用来表示 占据天体空间的物质?#20445;?世纪笛卡儿 ?#20445;担丁保担埃?#36171;予它某种力学性质 用来解释任何物体之间相互作用力的传递媒质惠更斯设想以太为荷载 光波的媒介物质并认为它应该充满包括真空在内的全部空间并能渗透到 通常的物质中 随着麦克斯韦电磁理论的日臻完善和光电磁现象的统一以太 便自然地成为电磁作用的载体 研究发现在伽利略变换下电磁理论的数学表达式麦克斯韦方程 组中的方程不再具有协变性由麦克斯韦方程确定的真空中电磁波的传播速 度为光速 ã在另外的惯性参考系中速度将不再是 á也就是说伽利?#23381;?变性不适合于电磁理论这似乎意味着力学满足相对性原理而电磁学规律 不满足相对性原理对麦克斯韦方程而言似乎存在一个特殊的惯性参考系 在这个优越的惯性参考系中光的传播速度为 ã而且这个特殊参考?#23548;?绝对静止的坐标系看来是非以太参考?#30340;?#23646; 经典力学体系的内在矛盾竟促使人?#21069;?#23547;找绝对优越之惯性参考系的希 望寄托在经典物理理论的内部矛盾上寄托在力学现象以外的物理现象上 比如电磁现象光的现象?#21462;?#20197;太参考系显然给苦苦寻求绝对静止参考 系的人们带来了希望证实以太和以太参考系的存在在物理学理 论上便具有十分重要的意义为此许多物理学家设计了各?#25351;?#26679;的实验 其中最著名的是麦克尔逊?#20445;福担病保常保?#33707;雷?#20445;福常浮保玻常?#23454;验他们 试图利用光学的方法借助灵敏的干涉仪来测定地球相对以太的绝对运动 地球以每秒 ?#24120;?公里的速度在其轨道上绕着太阳运动 整个太阳系以每秒 ?#29627;?公里的速度在宇宙中飞驰而我们的银河系也在以相当高的速度不停地运 动着如果以太是静止存在于绝对空间之中那么地球相对绝对静止 的以太运动地球上的实验者应能观测到强劲的以太风?#34180;?这个实验是根据麦克斯韦生前提出的设想设计的麦克斯韦认为若地 球相对静止以太运动那么沿地球运动?#36739;?#21457;出一个光信号到一定距离后 反射回来光信号往返所需要的时间应小于光信号沿垂直于地球运动?#36739;?#21457; 射到相等距离往返所需要的时间 ?#20445;福福?年美国物理学家麦克尔逊用他自己发明的干涉仪进行了第一次实 验麦克尔逊出生于波兰曾在柏林和波斯坦作过亥姆霍兹的奖学金研究生 ?#20445;福福?年他与莫雷合作改进了这个实验使用他亲自设计的高精度镜式干涉 仪大大提高了实验的精?#21462;?下页右侧给出了该实验装置的示意图 单色光源 发出的平行光束射到 角放置于 处的半镀银分光板上 被分成互相垂直的反射和透射两股光束透射光沿 ?#24076;?臂?#36739;?#21040;达反射镜 后被反射回来反射光沿 ?#24076;?臂?#36739;?#21040;反射镜 后反射回来这两股光束经 处分光板的透射和反射到达观测屏 处两条光路上相差的光程由补偿板

    补偿实验时先让干涉仪的 ?#24076;?臂与地球相对以太运动的?#36739;?#24179;行另 一臂与之垂直 按经典的理论 光速各向是不等的 地球沿 ?#24076;?臂?#36739;?#30456;对 以 太运动地球上的观测者看来以太沿 ?#31890;??#36739;?#27969;动光从 传播到 如逆 水行舟速度应为 á֣即光在静止的以太参考系中的速度减去地球运动的 速度?#36824;?#20174; 返回 则如顺水行舟传播速度为 ã֡而沿 ?#24076;?臂传播的光 束如横水行舟由计算可得到两束光传播的时间差为?#35029;?#22312;观测屏上将会 看到两股相干光束的干涉条纹然后将整个干涉仪转过 㣬使 ?#24076;?臂垂 直于地球运动的?#36739;}?#30001;计算可得此种情况下两股相干光束传播的时间 差为另一值ԡ 前后两种情况下的时间差的变化量将会引起观测屏上干涉条纹的移动 麦克尔逊和莫雷当时用纳光作实验并采用多次反射法增加干涉仪两臂的实 验长?#21364;??#20445;?米将有关数据代入干涉条纹移动值的计算公式后求得干涉仪 旋转前后干涉条纹应移动将近半个条纹也就是说旋转前的明条纹应基 本成暗条纹而暗条纹变明 但是麦克尔逊和莫雷的实验并未观察到预期的干涉条纹的移动他们 在一天中的不同时间一年中的不同季节并在地球上的不同地点多次重复了 这一实验而且实验本身的精?#20219;?#21487;挑剔但是结果都是相同的许多人 重复了这个实验 也都观测不到预期的条纹移动 这个实验的结果被称为 零 结果?#34180;?实验的零结果?#38381;?#21160;了物理学界人们提出了各?#25351;?#26679;的假说试图解 释这一出人意料的结果会不会是地球正好静止于以太的海洋中而使 地球与以太之间的相对运动速度始终为零呢如果接受这种设想就意味着 地球在整个宇宙中处于一种特别优越的地位但是这种地位从哥白尼时代 便被否定了 会不会是地球拖动着以太一起运动所以才没有以太风呢但 菲索实验等其他实验事实又否定了这一推断 还有人提出光速与光源运动有关的理论认为运动光源发出的光的速 度等于光相对于光源的速度与光源运动速度的矢量和而光相对任何光源的 速度总是 á这种理论尚可以解释用地面上的光源所作的麦克尔逊莫雷实 验但后来用?#23637;?#20026;光源进?#26032;?#20811;尔逊莫雷实验得出的零结果?#20445;?#20063; 否定了这一理论其他实验也证明了光速与光源的运动速?#20219;?#20851; 斐兹杰勒 ?#20445;福担薄保埃保?于 ?#20445;福福?年荷兰物理学家洛伦兹 ?#20445;福担场保玻福?于 ?#20445;福?年先后提出长度收缩的假说认为以速度 相对以太

    快速运动的物体在运动?#36739;?#19978;将按照 1 ? V 2 / C2 的比例产生一定的机械 收缩?#22885;?#20262;?#21462;?#26000;兹杰勒收缩?#20445;?#36825;种设想可以十分巧妙地调和了静止 以太理论和麦克尔逊莫雷实验之间的矛盾解释了麦克尔逊莫雷实验 同时又保留了以太坐标系的特殊优越地位洛伦兹在麦克斯韦电磁理论的发 展中曾作过大量杰出的工作这次提出长度收缩假说似乎又解决了电 磁光载体的一大难题但他的工作并未到此结束他认为要解决麦克斯 韦方程在伽利略变换下不具有协变性的困难必须寻求一种不同惯性系之间 的数学变换于是在提出长度收缩因子后他又进一步区分了对于优?#38454;?标系直接可用的真正的绝对时间和适用于其他坐标系的地方时间?#20445;?#25226;伽 利略变?#36824;?#24335;改造为以下的变?#36824;?#24335;

    x ? vt ? ? x' = 1 ? v2 / c 2 ? ? y' = y ? ? z' = z ? v ? t? 2 x ? t' = c ? 1 ? v2 / c 2 ? 这就是著名的洛伦兹变换式由这种变换关系可以保证麦克斯韦方程 在所有惯性系中具有相同的形式这样经典理论所面临的矛盾困难似乎 基本得到解决了但是洛伦兹的长度收缩因子和地方时间的引进 是一种人为的设想和满足数学上需要的作法带有明显的目的性假说的性 质?#26144;?#36828;看是不可能使理论物理学界感到满意的 法国科学家彭加勒?#20445;福担础保保玻?#20840;面研究了洛伦兹变换的数学内容 并进一步论证了在洛伦兹变换下麦克斯韦方程的协变性他认为解决电磁 学所面临的困难应?#35868;业?#19968;些基本的假设 而不是像洛伦兹那样引入包括 存 在静止以太在内的 ?#20445;?种假设他以麦克尔逊莫雷实验为例来?#24471;?#26080;论 观察者固定还是?#20154;?#36816;动物理规律都是相同的即不可能观察到绝对运动 ?#20445;埃?年他把这一观点称为相对性原理彭加勒敏锐指出物理学正面临着 一场危机应该建立一个全新的力学关于它我们还只能是见到了一点 迹象 其中 惯?#36816;?#30528;速度的增加而增加 光速将成为一个不可逾越的极限 较简单的普通力学只是在速度不太高时成立它保持着一级近似所以 在新的力学中仍然可以?#19994;?#26087;的动力学?#34180;?英国物理学家拉摩等和彭加勒一样也提出了一些接近狭义相对论的重 要思想但是他们均未能彻?#35013;?#33073;牛顿绝对时空的传统观念的束缚谁也 没有像爱因斯坦那样意识到整个物理学的基础可能需要从根本上加以改 造?#20445;?#22240;此他们均未能作出根本性的理论突破麦克尔逊莫雷实验之后 的几十年中还有人设计了一些其他实验以测定地球相对以太的绝对运动 得到的也都是零结果?#34180;?另外以太这种神秘的不可捉摸的物?#31034;?#26377;一系列令人费解的相互 矛盾的性质遥远的星光可以传播到地球上那么作为光的传播媒质的以 太应当充满整个宇宙包括真空和所有物质的分子和原子内部整个宇宙 也就是一个具有绝对透明性质的以太的海洋?#25381;?#23449;中的天体包括地球太 阳运动中并未受到以太的阻力因此必须假定充满宇宙的以太极其 稀疏密度几乎为零而光是横波所以其载体以太?#20445;?#24212;是具有固体 的性质的弹性介质?#36824;?#36895;非常大以太的弹性系数应该极大是绝对刚性的 其硬度应?#23545;?#36229;过最优质的钢这些相互矛盾的性质是很难统一起来的 以太漂移实验的零结果以及以太必须具备的极其混?#25671;?#30683;盾的性?#36866;?#29702; 论物理学家陷入难以自拔的思维困?#22330;??#20445;埃?年 月 ?#29627;?日在科学界享有厚望的开尔文勋爵在英国皇家学会上 发表了热和光的动力理论上空的十九世纪乌云的演讲他满意地回顾 ?#20445;?世纪物理学的成就后也不得不承?#24076;?#29289;理学晴空中还飘浮着两朵乌云?#20445;?一是与比热和热辐射有关的理论问题他认为有望在 ?#29627;?世纪的开头获得解 决另一则是麦克尔逊莫雷实验的零结果?#20445;?#20182;认为尚看不到任何可能

    解决的途径开尔文勋爵眼光锐利地瞄准了这两朵乌云但他和当时?#20806;?#20110; 经典物理学成就的其他人一样都未能预见到这两朵非同寻常的乌云 正预示着以量子论和相对论为标志的物理学革命的风暴 ?#29627;?#29421;义相对论的创立 麦克尔逊莫雷实验在爱因斯坦?#20445;福P保担担?#21019;立狭义相对论的过程 中究竟起多大的作用这个问题虽然在物理学史上仍有争论但谁也不否认 麦克尔逊莫雷实验在由洛伦兹理论向狭义相对论的转变中起了重要的作 用爱因斯坦本人对麦克尔逊莫雷的工作给予很高的评价他认为麦克尔 逊莫雷实验揭示了光以太理论的隐患?#20445;?#23558;物理学引向新的道路?#20445;?铺平了狭义相对论发展的道路?#34180;?爱因斯坦在 ?#20445;埃?年发表的第一篇关于相对论的文章论动体的电动力 学中明确指出诸如此类的例子以及企图证?#26723;?#29699;相对于光媒质 运动的实验的失败引起了这样一种猜想绝对静止这个概念不仅在力学 中而且在电动力学中也不符合现象的特性倒是应当认为凡是对力学方 程适用的一切坐标系对于上述电动力学和光学也一样适用对于第一?#27573;?量来说这是已经证明了的很明显爱因斯坦认为麦克尔逊莫雷实 验的结论只能是根本就不存在什?#30784;?#20197;太?#20445;?#20063;就不存在什?#30784;?#20197;太参考 系?#34180;?爱因斯坦曾读过洛伦兹的一篇关于麦克尔逊莫雷实验的论文文中提 出了洛伦?#21462;?#26000;兹杰勒收缩爱因斯坦在 ?#20445;埃?年发表的题为相对论原理 及其结论的论文中写道洛伦兹理论是以一种静止的不动的光以太的假 说为基础的按照这个理论地球相对以太的运动速度 与真空中的光速 之比的一次幂项 ֣ã不应该在实验中?#36824;?#27979;到但是麦克尔逊莫雷 实验的否定结果表明在某种场合下连二次幂效应与 ֣ ã 有关的项 也不存在而按?#31456;?#20262;兹的理论基础它是必定可以在实验中观测到的 他认为理论同?#23548;?#20043;间的那?#32622;?#30462;通过洛伦兹和斐兹杰勒的假说 根据这种假说运动物体在运动?#36739;?#21457;生一定的收缩可以在形式上消除 但是在这方面引进的这种假说看来只是一?#32456;?#25937;理论的人为方法麦克 尔逊莫雷实验正好证明在根据洛伦兹理论看来相对性原理不成立的地 方现象却还是符合这个原理的从而给人这样一种印象似乎又必须抛弃 洛伦兹理论而代之以一个基础同相对性原理相适应的理论因为这样一 个理论允许一下子预见到麦克尔逊莫雷实验的否定结果 这里所指的 这 样一个理论正?#21069;?#22240;斯坦在论动体的电动力学中系统提出的后来被 称为狭义相对论的理论他以以下的两条基本原理作为狭义相对论的基础 相对性原理所有惯性参考系都是等价的物理规律对于一切惯性参 考系都可以表述为相同的形式不论通过力学光学电学或其他实验都 不能觉察出所在参考系的绝对运动?#34180;?光速不变原理真空中光速相对于任何惯性参考系沿任何?#36739;?#22343;为 ã且与光源的运动无关 第一条原理是伽利略的力学相对性原理的直接推广伽利略相对性原理 肯定了一切惯性参考系的力学等价性爱因斯坦则只?#21069;?#36825;种等价性推广到 电磁学光学及一切物理规律它?#21069;?#22240;斯坦所坚持的不存在绝对运动 和世界统一性的自然观的体现从理论的角度来看相对性原理是容易 接受的

    在肯定麦克斯韦电磁理论的基础上把相对性原理推广到电磁学领域 就要假定麦克斯韦方程在一切惯性参考系中保持不变而这样做必须解决两 个问题一是要假定真空中光速保持不变二是在电磁学领域不能保留伽利 略变换因为麦克斯韦方程在伽利略变换下将发生改变也就是说在不 同惯性系中电磁现象将呈现不同的规律 对麦克斯韦电磁理论的正确性爱因斯坦是坚信不移的他认为全部力 学电动力学和光学的实验事实都支持相对性原理而且全部电动力学和光 学实验事实也都证明光速的不变性因此他认为必须把一切惯性系中 光速不变的假定上升到原理的地位上才能使初看起来有矛盾的两条原理 统一起来 而提出光速不变的原理就意味着否定牛顿力学中的速度相加定律即否 定经典的时?#23637;P?#21516;时的概念将失去其绝对的意义两事件的时间间隔 和空间间隔将随参考系的不同而不同总之在理论观念上都是一大突破 对爱因斯坦来说这个困难确实很难解决?#34180;??#20445;玻?年 ?#20445;?月在日本京都大学的一次演讲中爱因斯坦曾详细介绍了 解决这一难题的经过将伯尔尼时的同事与好友?#27492;?#23545;他的帮助铭刻在了创 立相对论的历史丰碑上他回忆道我在伯尔尼的一位朋友?#27492;?#24847;外地帮 助了我那天天气很好我带着上述问题访问他开始我告诉他最近 我一直在钻研一个难题今天到这儿来请你和我一块攻攻它我俩讨论 了问题的各个方面后来我突然?#19994;?#20102;问题的关键第二天?#20197;?#27425;访问 他甚至没有问候他一声就直接对他说谢谢你我已经完满地把问题 解决了我的解决办法是分析时间这个概念时间不能绝对定义时间 与信号速度之间有不可分的联系使用这个新概念我第一次完满地解决了 整个困难我用了五个星期完成了狭义相对论 爱因斯坦认为要准确地表述时间概念需要认识的仅仅是人们可以把 洛伦兹引进的称为当地时间的这个辅助量直接定义为时间如果 坚持这种时间的定义并把前面伽利略变换方程用符合新的时间概念的变换 方程来代替那么洛伦兹理论的基本方程即洛伦兹变换方程就符合相对性原 理了这样洛伦兹和斐兹杰勒的长度收缩假说就像是理论的必然结果 爱因斯坦还对第二条原理的由来作过深刻的?#24471;?相对论常遭到指责 说它未加论证就把光的传播放到中心理论的地位以光的传播定律作为时间 概念的基础然而情形大致如下为了赋予时间概念以物理意义需要某 种能建立不同地点之间的关系的过程为这样的时间定义究竟选择哪一种过 程是无关重要的可是为了理论只选用那种已?#24515;?#20123;肯定了解的过程是有好 处的由于麦克斯韦和洛伦兹的研究之?#20572;?#21644;任何其他考虑的过程相比我 们对于光在真空中的传播是了解得更为清楚的 爱因斯坦从上述两条基本原理出发推导出了相对论的惯性系变?#36824;?#24335; 洛伦兹变?#36824;?#24335;创立了狭义相对论 这个公式所以仍称为洛伦兹变换式是因为它是由洛伦兹首先得出的同 样的公式推导的理论出发点却大不相同洛伦兹人为引进长度收缩和 地方时间的假说给出了这个公式目的在保留住以太的不动性 爱因斯坦是?#26377;?#29702;论的角度进行推导赋予这个公式全新的革命的含 义在电磁理论中用这个公式代替了伽利略变换在洛伦兹变换下麦克斯 韦在一切惯性系中保持了相同的形式成功地将力学的相对性原理推广到了

    电磁学领域 洛伦兹变换在高速领域成功地替代了伽利略变换但狭义相对论并没有 否定伽利略变换在力学中的不可动摇的地位没有否定力学相对性原理在 低速领域即远小于光速的情况下洛伦兹变换很自然地和伽利略变换相一 致 从狭义相对论的观点来分析以太则是毫无用处的假说麦克尔逊莫 雷实验也很容易解释首先一切惯性系都是等价的麦克尔逊干涉仪所在 的惯性系地球也不例外其次光速在所有?#36739;?#19978;都相同那么不论 干涉仪如何转动干涉条纹都不可能有移动麦克尔逊莫雷实验也就自然 是零结果了于是麦克尔逊莫雷实验物理学史上最著名的实验 之一则成为狭义相对论的一个最基本的实验事实 狭义相对论的核心内容及深刻的革命含义包含在它的两条基本原理以及 由这两条原理导出的洛伦兹变换式中更表现在由洛伦兹变换导出的一系列 推论中这些推论所描述的空间和时间的重要性质从经典时?#23637;?#30475;来是难 以理解的但却是客观存在并得到实验的证实 同时的相对性是洛伦兹变换的推论之一由洛伦兹变换式可以很容 易地证明在某一惯性系中的不同地点同时发生的两个事件在另一个惯性 系的观察者看来将是不同时发生的光的传播需要时间即光速不等 于无穷大导致同时的相对性如果依据经典力学所假定的光速为无穷 大相互作用的传递不需要时间同时便是绝对的了并因而有绝对时 间的概念这里事件是指空间某一地点发生的某一件事或某种现象 光速是物?#35797;?#21160;的极限速?#21462;?#26159;洛伦兹变换的另一个推论从洛伦兹 变换中可以导出一个惯性参考系中先于 事件发生的 事件在另一惯性 参考系看来可能在 事件之后发生但这种情形只限于两个没有因果关系 的两个事件狭义相对论认为对于两个有因果关系的事件来说因果时序 是绝对的出生必先于?#21171;z?#25773;?#30452;?#20808;于收获基于此可以导出惯性系之 间的相对速度不能超过光速以及任何信号的传播速度也不可能超过光速的结 论狭义相对论的速度变?#36824;?#24335;也可以证明光速具有极限速度的特征 尺缩效应是洛伦兹变换的又一个推论洛伦兹和斐兹杰勒曾由经典 力学的角度研究过长度收缩问题他们认为运动物体是真地缩短了狭 义相对论认为在静止参考系看来以速度 运动着的物体将沿运动?#36739;?br />
    按 1 ? V2 / C2 的比例收缩但这是一种基于测量的效应尺子 将由于观察者或测?#31354;?#25152;在的参考系的不同而不同相对于尺子?#26412;?#27490;的 测?#31354;?#27979;得的尺子的长度称作静止长度或原长是最长的而相对于 尺子运动的任何测?#31354;?#27979;得的长度总是小于原长即尺子收缩了 这里尺子可以是一段距离 钟慢效应也是洛伦兹变换的一个重要推论洛伦兹变换证明运动 惯性参考系中的一个物理过程与静止参考系的同一过程相比要显得缓慢 些换句话说运动的时钟变慢了 尺缩和钟慢效应否定了经典力学中的时间绝对性和长度 绝对性的概念是对经典时?#23637;?#30340;革命性否定 狭义相对论还深刻揭示了时间与空间之间的相互关系在传统的时?#23637;?中时间与空间是互不相干的这一点集中表现在伽利略的变换式中而从 洛伦兹变换式可见时间和空间不再是相互独立的尺缩和钟慢效

    应是相伴发生的二者有一种互补关系 ?#20445;担?年的介子实验和之后对宇宙射线中大量高速粒?#38080;?#21464;过程的观 测实验都证实了钟慢效应以及与钟慢效应相关的尺缩效应 宇宙射线中含有许多能?#32771;?#39640;的子它们是在大气层上部产生的静?#21151;?子的平均寿命只有 ?#29627;保P薄粒保埃?秒如果不存在相对论效应这些以接近光 速运动的?#22871;又?#33021;?#23578;性??#22467;?米但?#23548;?#19978;大部分子都能穿透几公里的大 气层到达其底部从地面参考系看这种现象正是狭义相对论的钟慢效 应运动子寿命?#26144;?#25928;应?#24212;?#23376;所在的参考系看这种现象是狭义相 对论的尺缩效应是相对它作高速运动的大气层的厚?#20154;?#23567;了因此 在子存活的时间里可以飞越变薄了的大气层高速运动的粒子在其较短的 固有寿命中能飞越大气层是客观事实而不是主观感觉的产物这表明时钟 延缓和尺?#20154;?#30701;的效应都是运动着的物质相互之间的时?#23637;?#31995;的反映 ?#20445;P?年原?#21448;尤?#22320;球的环行则证实了狭义相对论和广义相对论的总效 应 狭义相对论还给出了两个非常重要的结论一是运动物体的质?#20811;?#36895;度 的增加而增加另一是质能关系式 ?#29275;停ã?它表示物体具有质量 的同时 也具?#24515;?#37327; ?#29275;?#24335;中的 是光速由于光速 是一数值巨大的常量?#22330;粒保埃?米秒这表示质量很小的物?#35797;?#28085;着巨大的能量小的质量的变化会伴 随着巨大的能量变化这一关系式为原子物理和基本粒子物理中的大量的实 验所证实它为人类寻求新的能源提供了理论依据?#29627;?世纪的原子能开发利 用正是基于爱因斯坦的质能关系式 爱因斯坦创立的狭义相对论通过闵可夫斯基的工作得到了新的发展闵 可夫斯基?#20445;福础保埃?#26366;?#21069;?#22240;斯坦在苏黎士时的老师后来任哥廷根大 学的数学教授?#20445;埃?年闵可夫斯基提出了四维时空理论将爱因斯坦狭义 相对论表述成非常简洁优美的数学形式他认为应该把时间看作是时 空结合体里的第四维在通常的三个空间坐标的基础上引进了第四个坐 标 这样就可以用四维坐标清楚地描述时空中发生的事件及事件的变 化规律 闵可夫斯基的工作从物理内容上?#27492;?#28982;没有新的内容但它把洛伦兹变 换的物理含义更清楚地表达了出来?#20445;埃?年闵可夫斯基在科隆召开的全德 自然科学家与医生协会的第 ?#31119;??#25991;?#20250;上作了题为空间与时间的报告 他说我要给你们剖析的时?#23637;P?#26159;在实验物理学的土壤里孕育长大的 它富有生命力而且有激进的趋势从此空间和时间本身完全变得模糊不 清只有两者的统一体才是独立存在的时间和空间再也不像经典时?#23637;?所表述的那样互不关联相互独立地存在着了它们合成了一个极端重要的 新概念四维的空间时间?#34180;?#36825;种四维时空连续统也被称为?#33324;?可夫斯基世界?#34180;?#38389;氏的工作后来成为相对论不可?#25351;?#30340;一部分在新的 四 维时空连续统中两个事件的时空间隔如三维空间中两点间的距离一样 是不随参考系的变化而变换的一个参考系相对另一个参考系的运动可视为 四维坐标架的转动相对论中时空的统一使得在非相对论中相互独立的不 同物理量显示出它们蕴涵的统一性例如动量与能量的统一电流密度和电 荷密度的统一?#21462;?在空间与时间的报告中闵可夫斯基非常有预见性地指出爱因斯 坦的思想对近代人们的思维将产生深远的影响闵可夫斯基的报告引起科学

    界对爱因斯坦工作的注意 狭义相对论是对经典时?#23637;?#30340;一次根本的变革它否定了绝对空间和绝 对时间否定了同时的绝对性揭示了时间和空间的不可?#25351;?#24615;并建 立起时间和空间的?#35272;?#20851;系整个物理学的理论因为狭义相对论而发生了巨 大的变化其成就是巨大的但是要人们真正认识爱因斯坦的科学研究成 就还需要较长的时间当时也只有个别的物理学家能够把他的理论看作 是一个天才的发现著名的理论物理学家普朗克就是其中的一位他称赞爱 因斯坦的论动体的电动力学一文具有划时代的意义认为爱因斯坦时空 观的勇敢精神的确超乎自然科学研究和哲学认识论?#29616;两?#25152;取得的一切大 胆成果 ?#29627;?#24191;义相对论的创立及其实验验证 ?#20445;?#24191;义相对论的基本原理和新的引力理论 狭义相对论揭示了高速领域中物体的运动规律将力学的相对性原理推 广到电磁学领域从根本上改变了经典物理学改变了人们对时间和空间的 认识但是追崇世界统一性的爱因斯坦是不可能满足于狭义相对论的 成就的因为狭义相对论虽然革命性地否定了静止以太参考系的特殊地位 但却保留着无限多个惯性参考系的特殊地位而且?#32454;?#30340;惯性系事实上并不 存在在爱因斯坦看来更为令人满意的应当是这样一种理论它从一开 始就不区别任何优越的运动状态他认为狭义相对论把相对性原理限制 在惯性系中这是固有的认识论上的缺陷?#34180;?#22240;此将相对性原理的适用 ?#27573;?#25193;大到非惯性?#23548;?#21152;速运动系?#24120;?#25506;求一?#25351;?#26222;遍的物理论广义相 对论便成为他的下一个目标 爱因斯坦接受了奥地利物理学家哲学家马赫?#20445;福常浮保保?#30340;观点 即非惯性系理论一定要包括引力理论狭义相对论的建立几乎改变了整个经 典力学的面貌只有牛顿引力理论例外而且以瞬时超距作用为基础的牛顿 引力理论在速度极限的问题上与狭义相对论相抵触狭义相对论证明光速 是一切物?#39318;?#30001;运动的速度包括信号传递速度的极限速度而牛顿引力理论 认为引力是以无限大的速?#21364;?#36882;的这也进一步促使爱因斯坦把引力问题作 为研究的目标 牛顿第二定律中使用的质量是物体的惯性质量在一定力的作用下质 量大的物体产生的加速度小即不易改变原来的运动状态质量大则惯性大 惯性质量是物体运动惯性的量?#21462;?#29275;顿引力定律中使用的质量是物体的引力 质量引力质量是一个物体受其他物体吸引及它吸引其他物体的状况的量 ?#21462;?因此惯性质量和引力质量是两个概念不同的物理量但是许多实验 事?#24403;?#26126;任何物体的引力质量和惯性质量相?#21462;?#29275;顿本人对此持慎重的态 度他认为引力质量和惯性质量分别描述物体的两种互不相关的性质即产 生引力和保持原有运动状态的两?#20013;?#36136;二者可能只是近似相?#21462;?#29275;顿设计 了牛顿摆实验?#20445;福福?年匈牙利的厄?#39134;?#35745;了著名的扭摆实验都试图测定 这二者的区别而实验的结果却是在相当高的精度?#29616;?#26126;了引力质量和惯性 质量的等值性 这样两种有本?#26159;?#21035;的物理量相等意味着什么呢牛顿曾作过研究

    却没有得到理论上的解释长期以来人们一直认为这两种质量相等是理 所当然的没有人探?#31185;?#20869;涵而爱因斯坦正是从这个人们认为是很自然的 事?#31561;?#25163;开始揭示引力问题的奥秘爱因斯坦在相对论发展简述中说 在引力场中一切物体都具有同一加速?#21462;?#36825;条定律可以表述为惯性质量和 引力质量相等的定律它当时就使我认识到它的全部重要性我为它的存在 表示极为惊奇并猜想其中必有一把更?#30001;?#20837;地了解惯性和引力的钥?#20303;?在狭义相对论的建立过程中爱因斯坦曾设计了著名的高速爱因斯坦 火车的理想实验来推证同时相对性?#34180;?#22312;广义相对论建立过程中爱因 斯坦又设计了另一个著名的理想实验即爱因斯坦电梯或称爱因斯坦 密封舱?#20445;?#22914;现代的宇宙飞船密封舱以推证等效原理的合理性如果将一 个爱因斯坦密封舱放置于远离一切物体的宇宙空间中舱内的实验人员 将发现自己和舱内的一切物?#33539;际?#21435;重量飘浮于舱中作出的判断是 引力消失了密封舱是一个不受任何力作用的惯性系设想此时有一种 大力士生物以地球的引力加速度᣽ 米ӣ 向一个?#36739;?#25552;升密 封舱?#34180;?#36825;时舱内实验人员感觉到好像回到了地球的表面自己?#25351;?#20102;原 有的重量舱内物品也纷纷落下对这突如其来的现象舱内的实验人员有 两种可能的分析一种是密封舱本身仍是静止或?#20154;?#36816;动的即为惯性 系舱下出现了和地球一样的星体而使密封舱?#27604;?#32622;于地球引力场 物品下落人感觉到重?#24656;?#26159;引力作用的反映另一种是舱下没有出现什么 星体即不存在任何引力场只是舱因某种原因在加速上升物品下落人 感觉到重?#24656;?#19981;过是密封舱在加速上升的反映即惯性力作用的反映 那么舱内的实验人员能借助某种力学实验来断定是哪一种情况吗回 答是否定的因为如果是第一种情况实验结果将与引力质量有关如果 是第二种情况则实验结果将与惯性质量有关但这两种质量是相等的引 力质量和惯性质量的等值性造成了引力和惯性力的等效也就是说一个不 受引力作用的加速系统和一个受引力作用的惯性系统是无法通过任何力学实 验加以区别的 居里夫人的女儿在?#27602;?#37324;夫人传中有一段回忆谈到爱因斯坦一次 爱因斯坦和居里夫人及她的女儿们在山坡上时 爱因斯坦曾问 如果一个 密 封舱在一大深谷中自?#19978;?#33853;会怎么样孩子们只是觉得这个问题很好玩 而居里夫人知道爱因斯坦又在思考什么新的深邃的问题了 密封舱在引力场中自?#19978;?#33853;正?#21069;?#22240;斯坦考虑的另一个理想实验 密封舱以重力加速度自?#19978;?#33853;舱内的物体受到一种向上的惯性力的作 用而密封舱处于地球引力场中舱内的所有物体又同时受?#36739;?#19979;的引 力的作用引力质量和惯性质量的等值使所有物体受到的合力为零舱内的 物体将动者恒动静者恒?#29627;?#33329;内实验者所作的任何力学实验都与在远离一 切物体的太空中的惯性系中相同因此就力学实验而言一个不受引力 作用的?#29123;?#36895;系?#24120;?#38750;惯性系等效于均匀引力场中的惯性系在均匀引力 场中自?#19978;?#33853;的系?#24120;?#38750;惯性系等效于太空中的惯性系这也就是所谓的 弱等效原理 等效原理?#21069;?#22240;斯坦给出的广义相对论的一条基本原理等效原理又分 弱等效原理和强等效原理弱等效原理又可表述为引力和惯性力的动力学 效应是局部不可分的强等效原理?#21069;?#22240;斯坦在弱等效原理的基础上作出的 假设性推广 即引力和惯性力对任何物理现象的影响都是局部不可分的 局

    部意指有限的空间?#27573;?#21644;短暂的时间间隔 爱因斯坦认为等效性原理的发现是他一生中最愉快的事他说完 全等效性这一假说使我们不能?#31561;?#20309;参考系有绝对加速度正如通常的相 对论狭义相对论使我们不能?#31561;?#20309;系统有绝对速度一样并且它使一切 在引力场中等加速下落成为当然的事 基于等效原理爱因斯坦用引力场来取代加速系?#24120;?#25110;说用引力场来对 付人?#24688;?#29978;感头疼的加速系?#24120;?#23558;加速系变为引力场中的惯性系使加速 系和惯性系都不再具有绝对的意义而惯性系?#22270;?#36895;系之间的界限的取消立 即导致一种科学上和哲学上的美好愿望即自然规律对宇宙中的一切系统等 效狭义相对性原理就可以进一步发展推广了以下正?#21069;?#22240;斯坦在等效原 理的基础上提出的广义相对性原理即广义协变原理一切参考系都是等价 的物理规律在所有参考系中都应具有相同的形式即在任意坐标参考系 变换下一切物理规律都是协变的 等效原理和广义协变原理一起构成了广义相对论的基础建筑在这个基 础之上的广义相对论否定了惯性系的特殊地位而在更广的?#27573;?#20869;建立了物 理学的理论构架 洛伦兹变换显然不能满足物理规律的广义协变性爱因斯坦发现要建 立新的引力理论的数学模型他当时所掌握的数学知识已不?#25381;֙?#19978;大学时 他曾以为对一个物理学家来说只要明晰地掌握数学的基本概念也就够了 因此在一定程度上忽略了数学 ?#20445;保?年爱因斯坦带着这个问题回到?#24863;?#33487;黎士工业大学求教当 年的同班同学格罗斯曼已成为数学教授的格罗斯曼对这个问题很感兴趣 他终于帮助爱因斯坦?#19994;?#20102;适合的数学工具那就是由德国的数学家黎曼 ?#20445;福玻丁保福?#22312;半个世纪以前建立起来的曲面几何即黎曼几何以及里奇和 ?#24418;?契维塔的微分学经过两人的艰?#20102;?#32771;摸索终于在 ?#20445;保?年共同 完成了广义相对论和引力理论纲要的论文其中物理部分由爱因斯坦执 笔数学部分由格罗斯曼执?#30465;?#20070;中叙述了广义相对论产生所基于的一?#20013;?仰详尽给出了广义相对论所需要的数学知识和推导新的引力场方程的过 程 ?#20445;保?年爱因斯坦发表了 用广义相对论解释水星近日点运动的论文 成功地解释了水?#26538;?#36947;近日点的进动超差问题还给出了光线经过太阳表面 时发生弯曲的修正值?#20445;?月爱因斯坦完成了广义相对论的集大成论文广 义相对论的基础并发表于 ?#20445;保?年在这一篇?#36824;?#35748;为是广义相对论标 ?#21450;?#26412;的论文中爱因斯坦全面清晰地阐述了引入等效原理扩充相对 性原理和使用协变性的原由至此爱因斯坦完成了创立广义相对论的艰苦 奋斗历程 在寻求新的引力场方程中爱因斯坦认为应以牛顿引力理论的?#27492;?#26041;程 为范例因为?#27492;?#26041;程描述了引力场的势与物质的密度分?#25216;?#30340;关系是以 有质物质的密度引起引力场的观念为基础的广义相对论也应该如此即广 义相对论给出的引力场方程应该描述引力?#26222;?#37327; ̣ 与物质的能量动?#31354;?#37327; Ԧ̣ 的关系在推导新的引力场方程中爱因斯坦依靠了数学和抽象的思维 分析最终得到的与?#27492;?#26041;程类似的爱因斯坦引力场方程如下 1 R ?u ? g ?u R + g ? u = ? KT?u 2

    式中Ҧ̣ 是黎曼曲率?#24085;克?#24182;后的里奇张量描述空间的弯曲程度 是曲?#26102;?#37327;ˣ̣ 是宇宙因子项 是引力常数若取为零上述方程的 另一?#20013;问?#22914;下
    1 g T) 2 ?u 这一方程可以更清楚地表达出新的引力理论的内涵?#22909;?#36848;时空弯曲的量 Ҧ̣ 由物质的能量动?#31354;?#37327; Ԧ̣ 所决定 是 Ԧ̣ 变换缩并后的量?#27425;?#36136; R ?u = ? K( T?u ?

    的分布决定了时间空间的度规性质在这一几何化了的引力场方程中引力 场中的物理量与黎曼几何中有关的几何量建立了一一对应关系如引力空间 的弯曲程度由黎曼曲率张量描述引力?#26222;?#37327;是黎曼几何的度规张量引力 场的场强则与克里斯多夫符号对应 根据新的引力理论有物质存在的空间不是平直的欧几里德空间而是 弯曲的黎曼空间点与点之间的最短距离将不再是直线而是非欧几何的测 地线短程线空间弯曲的程度取决于物质的质?#32771;?#20998;布状况空间曲率 体现为引力场的强度空间各点的长度标准将随场的不同而不同引力场中 不同地点引力势的变化也将影响时钟的快慢场越强时间的流逝将越慢 而且时间标准空间标准的变化相互渗透从广义相对论角度来看引 力相互作用?#20445;?#21482;不过是空间弯曲的效应太阳的巨大质量使太阳周围的空 间发生弯曲地球绕太阳的运动就是这种空间弯曲的表现而不是由于什么 超距作用于是也自然地解决了牛顿引力理论中的超距作用问题广义相对 论引导人们从一?#20013;?#30340;角?#28909;?#35748;识时空认识引力作用因此人们也常常 称广义相对论为新的引力理论 可以证明在弱场静场空间缓变的场等条件下爱因斯坦引力场方 程变为牛顿引力方程也就是说牛顿引力理论只是广义相对论的一种特例 在非强引力场等情况下牛顿引力理论仍不失为正确的理论 爱因斯坦由强等效原理给出了物理规律广义协变化的途径即可以通过 以下的步骤将惯性系中狭义相对论的物理规律改变为广义协变的物理规律 ١把狭义相对论中各物理方程中的物理量换成黎曼空间的量 ڡ把闵可夫斯基空间的度规换成黎曼空间的度规 ۡ把方程中的普通微商换成协变微商 广义相对论的建立过程特别是引力场方程的推导等过程是数学和物理学 等自然科学之间相互有效结合的光辉范例并且证明了意义极其重大的物 理学理论总是以运用新的非同寻常的精深数学为特征的如牛顿力学理 论之与微积分麦克斯韦电磁理论之与矢量数学狭义相对论之与四维空间 的张量分析?#36824;?#20041;相对论之与黎曼几何张量运算以及后来的量子力学之与 算符矩阵数学的发展推动了物理学研究的进一步深入反过来物理学 提出的问题又促进数学方法的进一步完善并进而促进数学的发展爱因斯 坦?#36879;?#32599;斯曼一起为解决广义相对论提出的新的物理问题就大大发展了张量 的计算 ?#29627;?#24191;义相对论的实验验证 根据广义相对论的理论爱因斯坦预言了三个重要的效应这三个效应 都陆续得到了实验的验证 ١水?#26538;?#36947;近日点的进动

    行星绕太阳的运行轨道问题就是粒?#23588;?#21147;心作束缚态运动时的轨道问 题根据牛顿理论可以求得行星绕太阳运行的椭?#34917;?#36947;方程作为力心的太 阳处于行星椭?#34917;?#36947;的一个焦点上轨道上离太阳最近的点即近日点焦点 和近日点均在椭?#34917;?#36947;的长轴上考虑到其他行星的影响每个行星绕太阳 转动一个周期运行轨道的长轴就会绕一个焦点太阳发生缓慢的转动 近日点也就不断前移这种现象被称为行?#26538;?#36947;近日点的进动?#34180;??#20445;福?年法国天文学家勒维列?#20445;福保薄保福PP?#22312;观测水?#26538;?#36947;近日点的 进动时发现考虑太阳系中所有其他行星对水星的影响后轨道近日点进动 的观测值与理论?#24471;?#30334;年要相差 ?#24120;?秒?#20445;福福?年美国天文学家纽康重新测 定了这个差值为 秒现测值为 ?#29627;?秒 勒维列根据他发现海王星的经验预言水星近日点的进动的差值是由于 ?#24418;?#21457;现的火神?#24688;?#30340;存在而引起的但是之后的数十年里许多天文 学家寻?#25671;?#28779;神?#24688;?#30340;努力?#38469;?#36133;了水?#26538;?#36947;近日点的差值问题成为一个 谜 爱因斯坦的广义相对论建立以后行星绕力心太阳作束缚态运动的动力 学方程考虑了因太阳引力场引起的时空背景的变化由这样的动力学方程解 得行星的运行轨道将缓慢地在它自己的平面上旋转轨道的长轴每个周期 将发生一定的偏转近日点和远日点的位置也不再是固定不动的了理论计 算得出仅因这种广义相对论效应每百年水星近日点的进动值约为 秒 这种广义相对论效应有力地解释了水星近日点进动的差值问题勒维列的观 测结果也成为广义相对论的有力实验验证之一 理论还表明不仅水星的轨道近日点有进动差值问题金?#24688;?#22320;球小 行星的轨道也有同样的差值问题只是水星离太阳最近差值效应最明显而 最容易?#36824;?#27979;到而已人造卫星绕地球的运行也可以用来验证这种差值效 应虽然人造卫星的质量小这种差值效应比较小但是卫星绕地球运行 的周期短也就比较容易在不太长的时间内观测到进动差值的累计效应 光线在引力场中的偏折 广义相对论的等效原理中惯性质量是动质量 而不是静止质量 ?#27712;?#22240; 此具有动质量的光子与其他静止质量不为零的粒子一样也应参与一切引力 效应光子要产生引力场也要受到引力场的作用根据新的引力场理论引 力场中光的传播路径弯曲并不是光本身的新的性质而是物质存在的空间的 新的性质即空间弯曲的性质如果空间本身是弯曲的那么原来是直线 的现象自然应纳入弯曲的轨道了 ?#20445;保?年爱因斯坦就预言了光线在太阳引力场中将要发生偏折的广义相 对论效应并给出 ?#22467;福?秒的偏折值?#20445;保?年 月德国天文学家费罗因德 利希带领观测队到俄国的克里米?#21069;海?#24076;望利用那里发生日全食的时机 验证爱因斯坦的预言不巧第一次世界大战爆发了观测队被捉了起来 在交换战俘时被?#19981;?#24503;国未能完成这次实验 ?#20445;保?年爱因斯坦改正了他预言的数值提出光线经过太阳边缘时将 要偏折约 ?#20445;?秒?#20445;保?年英国天文学家爱丁顿?#20445;福福病保?#35835;了爱因斯 坦的 广义相对论基础 立刻认识到这一篇文章的伟大意义 决定利用 ?#20445;保?年 月 ?#29627;?日将要发生的日全食的机会来验证光线在引力场中的偏折效应 并 推动英国皇家天文学会着手日全食观测的准备工作是年分别由爱丁顿和 克罗姆林?#20445;福保常?#29575;领的两支远征观测队到西非几内亚湾的普林西比

    岛和巴西的索布拉耳?#32435;?#26085;全食照片以确定恒星发出的光经越太阳引力场 时是否发生了偏折?#20445;保?年 ?#20445;?月 日英国皇家天文学会公布了两队的观测 结果它们分别是 ?#20445;浮埃保?秒和 ?#20445;薄埃常?秒 ?#20445;玻?年 月 ?#29627;?日另一支观测队在澳大利亚又进行了一次定量观测 结果是 ?#20445;P病埃玻?秒 ?#20445;?年以后科学工作者对类星体所作的观测实验也都证实了这一广 义相对论效应 对 ?#22467;??#21028;?#30340;观测实验给出的偏折平均值是 ?#20445;福?秒 ?#20445;保?年的观测是一次轰动全世界的科学观测爱因斯坦预言被证实的消 息使他一夜之间成为全球的著名人物也极大地引起人们对广义相对论的重 视和兴趣爱因斯坦创立的这样一种理论不仅能解释人们长期以来无法解释 的实验事实而且能预言非同寻常的未知现象不能不让人惊叹其巨大的成 功 引力红移光谱线的红向移动的实验验证 水星近日点的进动差值和光线在引力场中的偏折从不同角度反映了引力 场对空间的影响特别是后者它表明了以有限速?#21364;?#25773;的一切物理现象在 引力场的?#24656;?#19979;进入局部弯曲的路径这种现象描述的不是光的什么新的性 质而是有物?#21490;植?#30340;空间所具有的未被人们认识到的性质即有物?#21490;植?的空间本身弯曲的性质这?#20013;灾适?#21407;来是直线的现象都要?#24656;颇?#20837;弯曲的 轨道 引力红移是广义相对论预言的另一个效应体现了引力场对时间 ?#24503;ʣ?的影响广义相对论的理论指出光线在稳定引力场中传播时?#24503;?#35201;发生 改变?#21491;?#21147;场强的地?#36739;?#24341;力场弱的地方传播光子?#24503;?#23558;变小相应的 波长将增加谱线红移这种引力红移也称相对论红移 ?#20445;玻?年美国天文学家亚当斯?#20445;福P丁保担?#36890;过对天?#20999;前?#26143;的观测 首先验证了相对论红移天?#20999;前?#26143;与?#35013;?#26143;相似是一颗密度很大的星体 它的强引力场引起的引力红移量要比太阳引力场的强得多 列布卡和庞德还通过地球引力场中的穆斯堡尔效应验证相对论红移 他们利用一种人造同位素冷却后发出单一?#24503;?#30340;射线使射线逆着地球引力 场前进并通过分析器测定其?#24503;?#30340;变化观测结果与广义相对论的理论推 断完全一致 广义相对论的实验验证还有雷达回波?#26144;٣?#34892;星自转轴的进动?#21462;?#24191;义 相对论还预言加速运动的质量如加速运动的电荷激发电磁波一样将激发引 力波但是引力波非常微弱在目前的实验条件下是很难?#35762;?#21040;的世界上 的许多研究组为?#35762;?#24341;力波而努力?#20445;?年和 ?#20445;P?年曾有两次?#35762;?#21040;引力 波的实验报道但因为他们的实验结果?#25381;心?#34987;重复获得均未得到公认 因此引力波?#35762;?#30446;前仍是广义相对论实验研究的一项重要课题 广义相对论?#21069;?#22240;斯坦在一种哲学思想的指引下对狭义相对论的逻辑推 广创立过程中抽象和数学的思维分析的确发挥了巨大的作用但是广 义相对论并不是?#20811;?#36777;的产物爱因斯坦曾反驳过这种说法从来没有一 个真正有用的和深入的理论果真是由?#20811;?#36777;去发现的广义相对论的创立完 全由于要想使物理理论尽可能适应于观察到的事实这些事实有引力质量 和惯性质量的等价性有?#23548;?#19978;并不存在的惯性系以及惯性系概念循环定义 的问题?#21462;?#32780;牛顿引力理论的成?#22270;?#34920;现出的局限性相对性原理的发展以

    及 ?#20445;埃?年就已经相当成熟的非欧几何和张量分析方法等都为广义相对论发 展提供了坚实的基础 广义相对论在哲学上的重要性还在于验证了辩证唯物主义所主张的论 点空间和时间都是运动着的物质的存在形式?#34180;?狭义相对论把时间空间与物质的运动联系了起来广义相对论则揭示 了时间空间和物?#21490;植?#30340;关系把物质运动时间空间进一步统一了 起来把物体运动的物理本质和时间空间的几何描述统一了起来这种现代 的时空理论?#26377;?#30340;高度上否定了牛顿的绝对时?#23637;ۡ?#29233;因斯坦曾向一位记者 开玩笑地解释了相对论的成果他说如果所有东西都从世界中远离出去的 话人们过去会认为残留下来的便是空间和时间而现在人们知道了单 独的时间和空间根本不存在 ?#20445;担?年的国际相对论会议上德国著名物理学?#20063;?#24681; ?#20445;福福病保P埃?#35828; 对于广义相对论的提出我过去和现在都认为是人类思索大自然的最伟大 的成果它把哲学的深奥物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一 起 ?#24120;?#32479;一场论和宇宙学理论的早期发展 爱因斯坦与统一场论 爱因斯坦把相对论的发展分为三个阶段即狭义相对论广义相对论和 统一场论爱因斯坦坚信相对性原理的普遍性创立了狭义相对论把经典 力学与电磁学理论统一了起来广义相对论将相对性原理由惯性参考系进一 步扩大到任意参考系并把牛顿引力理论作为一级近似包容其中使物理学 的统一工作又取得了巨大进展但是已知的引力规律和电磁相互作用规律 没能统一起来 爱因斯坦在创立了广义相对论之后便着手研究统一场论试图进一步 推广广义相对论把引力相互作用和电磁相互作用统一在一个理论体系中广 义相对论的魅力促使不少科学家和爱因斯坦一起为创立统一场论而奋斗他 们力图仿效黎曼几何描述引力场的成功作法建立一?#20013;?#30340;几何学把各种 场统一起来并使物理学与几何学统一起来?#20445;保?年威尔试图用修改黎曼 几何的方法建立一种规范不变几何学来统一描述引力场和电磁场?#20445;玻?年卡鲁查采用将黎曼几何的四维增加为五维的方法来统一这两种场的作用 但是他们?#38469;?#36133;了 爱因斯坦最初设法推广卡鲁查的工作但未成功后来和他的学生柏格 曼一起提出了一种不对称场论这?#21069;?#22240;斯坦的最后一个统一场论模型在 此模型中他试图用度规张量来统一描写两种作用即用度规张量的对称部 ?#32622;?#20889;引力场不对称部?#32622;?#20889;电磁场但是得到的方程无法求解爱因 斯坦去世之后统一场论的研?#32771;?#36215;几落议论纷?#30465;?#20154;们后来发现宇宙 中不仅存在电磁和引力作用还存在强相互作用和弱相互作用必须先实现 电磁相互作用和弱相互作用的统一然后再将强相互作用统一最后才能把 引力相互作用统一起来 ?#25285;?年代之后产生的规范场论为统一场论的研究开辟了一条正确的途 径人们首先提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论并得到了实验 证实现正在攻克电弱强三种作用的大统一而且相?#29275;?#21253;括引力作用 在内的四种相互作用的超统一理论最终是能够实现的从 ?#20445;玻?年至 ?#20445;担?年 去世前爱因斯坦一直埋头研究统一场论但由于当时历史条件的限制和缺

    乏建立统一场论所需要的基本经验事实因此他最终未能实现其建立统一场 论的宏?#28014;?#29233;因斯坦并不为他付出的代价而感到遗憾他始终认为他所做 的探索是有意义的而统一场论的发展也证明了这一点 宇宙论的早期研究 牛顿由万有引力定律得出宇宙必定是无限的结论?#20174;?#23449;的图象是无数 的天体均匀地分布在无限的三维欧氏几何空间中空间向各?#36739;?#19968;直?#30001;?#19979; 去没有一个?#36739;?#26159;有终点的?#20445;福?年德国物理学家西利格尔研究指出了 牛顿的宇宙理论所存在的引力徉谬问题物?#21490;植?#22343;匀的无限宇宙中 牛顿的引力势不存在有限解若物?#21490;植?#19981;是?#32454;?#22343;匀那么对每个星体 而言各?#36739;?#29289;质引力贡献的总和将是非常可观的但?#23548;是?#20917;不是这样 ?#20445;福玻?年奥尔勃斯分析指出如果宇宙是充满无限数目的星体的欧几里 得宇宙星体分布均匀而且过去未来都发光那么将导致一条?#25343;?#30340;结论 白天和夜晚应该一样明亮这就是所谓的 光度徉谬 也称 奥尔勃斯徉谬 以牛顿的万有引力规律和欧氏几何学为基础的宇宙模型是无法摆脱以上的两 个疑难的 ?#20445;保?年爱因斯坦将广义相对论引力场方程用于研究宇宙学问题发表 了第一篇关于宇宙学的论文根据广义相对论对宇宙学所做的考查文中 他也分析了牛顿无限宇宙理论中的矛盾和不自洽 牛顿经典力学在讨论一个有限力学体系的运动时总是假定可以选取一 个参考系使引力势在无限远处成为常数在解决局部天体的运动问题时 这个条件是非常关键的但是按照牛顿的无限宇宙图象物质是均匀分布 在整个无限的空间中那么根据牛顿经典力学又将得出无限远处引力势不 为常数的结论这就是一?#32622;?#30462;如果放弃物?#31034;?#21248;分布于整个空间的假 设认为物质主要集中在周围有限的?#27573;?#37027;么可以保证无限远处的引力 势是常数但物质的宇宙确仍然是有限的所以牛顿的引力理论在原则上 是无法描?#20174;?#23449;这一物理体系的 爱因斯坦利用广义相对论得出的引力场方程对宇宙体系进行了考察并 提出了两个假定一是各向同性的假定?#20174;?#23449;从大尺度上来看在任何给 定的时刻对各个?#36739;?#35266;测的结果相同另一是均匀性的假定?#20174;?#23449;从大 尺度上看天体的分布是均匀的星系的平均密?#21462;?#20809;度和相互间的距离都 是一样的这两个假定也称宇宙学原理根据这一原理他由引力场方程得 出了一个静态的宇宙解?#27425;y试?#23431;宙中总的分布不随时间变化的解这个 解表明宇宙是闭合的有限的但又是无边的这个宇宙模型虽然简单 而且后来的星系远离运动的观测事实也表明宇宙这个物理体系不是静态的 但它确是第一个科学的现代宇宙模型为现代科学宇宙学的发展奠定了基 础 同年荷?#32487;?#25991;学家德西特由引力场方程得出另一个静态的宇宙解该 解认为宇宙的物?#35270;?#36816;动但平均密度趋于零 ?#20445;玻?年苏联数学家弗里德曼由爱因斯坦的引力方程中得到一个非定态 解但当时未引起人们的重视?#20445;玻?年比利时天文学家勒梅特把这种动态 时?#25112;?#20316;为一个宇宙模型进行了考察提出了弗里德曼一勒梅特宇宙模型和 大尺度的空间会随时间而膨胀的观点 ?#20445;玻?年美国天文学家哈勃?#20445;福福保担常?#22312;研究河外星系光谱红移中 发现星系系统的退离速度与距离成正比这表明宇宙在膨?#20572;?#38750;静态宇

    宙模型获得观测证实 爱因斯坦起初对弗里德曼等人的动态宇宙模?#32479;只?#30097;态度认为非定态 解是求解引力场方程时的数学错误所造成的但在哈勃红移现象发现以后 爱因斯坦收回了对弗里德曼的批评承认了自己的错误并万?#25351;?#24936;地说 这是他一生中最大的错事?#34180;??#20445;常?年勒梅特又在宇宙膨胀的基础上进一步提出宇宙起源于原始火球 的大爆炸观点?#20445;?年美籍物理学家盖莫夫?#20445;埃础保福?#25226;宇宙起源与 化学元素起源联系起来提出宇宙大爆炸学说这一宇宙学模型认为宇宙 起始于一个密度极大?#38706;?#26497;高的炽热物质凝?#29275;?#36825;个凝团快速并各向同性 地爆炸物质向外散开在膨胀和冷却过程中形成了星系和恒?#24688;?#29616;代天文 学家观测到的大尺度天体的系统红移与这种宇宙学说是一致的 关于宇宙的形成以及巨大宇宙物质如?#20843;?#32553;恒?#24688;薄?#40657;?#30784;?#31561;的奇异 性?#35797;?#29616;代理论天体物理学中是相当引人入胜的话题但是这一方面探索 研究的进展已超出了本书的?#27573;?#29233;因斯坦创立的广义相对论为人们研究宇 宙开拓宇宙奠定了基础而随着研究的深入相对论?#28799;?#21040;了挑战人们 对自然的认识也随着一个个挑战的产生和解决而不断深入 ?#24120;?#31185;学巨匠爱因斯坦 ?#20445;?#29233;因斯坦的科学贡献 科学巨匠爱因斯坦在现代科学技术史上占有极其重要的地位他的一生 对科学宝库作出了巨大的贡献对物理学的贡献就有以下几个主要方面 一是分子运动论方面爱因斯坦用统计方法研究分析了原子分子的热 运动问题?#20445;福玻?年英国的植物学?#20063;?#26391;?#20445;PP场保福担福?#22312;显微镜下发现 浸泡在液滴中的花粉粒子在不停地作不规则的运动后来以发现者的名字 命名这种运动为布?#35797;?#21160;粒子越小液体?#38706;仍?#39640;运动就越激?#25671;?#24067; ?#35797;?#21160;?#23548;?#19978;是由液体分子的不规则热运动引起的?#20445;埃?年?#28023;?#29233;因斯坦撰 写的关于液体中悬浮粒子运动的两篇论文才真正从理论上完全解释了布?#35797;?动并以统计方法给出了悬浮粒子的运动状态与液体性质之间的数学关系 式还给出了测定分子大小的方法?#20445;埃?年法国物理学家裴兰用实验证实 了?#23433;试?#21160;的爱因斯坦定律?#20445;?#24182;因此获得 ?#20445;玻?年的?#24403;?#23572;?#34180;?#29233;因斯坦 的研究证明热是能量的一?#20013;问?#26159;由不规则的分子运动引起的证明了 物质是由分子原子构成的他的工作使原先对原子论抱怀疑和反对态度的 人如马赫和奥斯特瓦尔德?#20445;福担场保常玻?#20063;不得不宣称改信原子学说?#20445;?对原子论的胜利作出了决定性的贡献 二是量子论方面?#20445;埃?年爱因斯坦推广了普朗克的能量子假说提 出光量子假说?#20445;?#20197;最简练明晰的方式解释了 ?#20445;福福?年?#20806;?#25152;发现的光 电效应现象并给出了光电效应的爱因斯坦公式?#34180;保?年后该公式在 美国实验物理学家密立根?#20445;福浮保担常?#30340;实验中得到了证实爱因斯坦关 于光的这?#20013;?#30340;理论发展了普朗克在热辐射问题上阐明的量子思想首次 揭示了光的两重性即光既有波动性又有微粒性使惠更斯和牛顿彼此对 立的光学理论在新的概念新的高度上得以统一后来德布罗意?#20445;福病?和薛定谔?#20445;福福E保保寻?#22240;斯坦的这种观点又推广到电子提出电子和 光子一样具有波粒二重性而波粒二重性则是量子力学和量?#26144;?#35770;的支柱

    ?#20445;埃?年爱因斯坦把量子概念运用到物体内部的晶格振动问题中解决了低 温时固体比热同?#38706;?#21464;化的关系问题?#20445;保?年又把量子概念用于光化学现 象提出光化学当量定律?#20445;保?年他从玻尔的基本假定出发导出了普朗克 的辐射公式并提出受激辐射的理论这一理论对 年代激光技术的发展有 重要意义?#20445;玻?年他利用刚刚提出的德布罗意物质波假说处理单原子理想 气体同玻色一起建立了玻色爱因斯坦量子统计理论由于爱因斯坦在量 子论方面的贡献以及对量子力学产生的推动作用他和玻尔一起被称为量子 力学的两个教父?#34180;?三是相对论的创立和发展包括前面所述的狭义相对论广义相对论的 创立以及广义相对论创立之后在宇宙论和统一场论研究领域的开拓发展 被 人 们 尊 称 为 相 对 论 之 父 的 爱 因 斯 坦 实 际 上 在 多 学 科 领域中都是出类拔萃的理论研?#32771;摇保玻?年爱因斯坦因在光电效应理论方 面的贡献获得?#24403;?#23572;?#20445;?#32780;他的学生兰佐斯认为爱因斯坦一生理应获得五 个?#24403;?#23572;?#20445;?#21363;指布?#35797;?#21160;研究提出光量子理论创立狭义相对论发现 质能关系式和创立广义相对论其中前四项涉及三个领域的重大成果是在 ?#20445;埃?年 月到 月这半年之内完成的当时爱因斯坦年仅 ?#29627;?岁在瑞士伯 尔尼专利局任技术?#20445;?#19968;无名师指导二无专门研究机构的条件而他完全 靠业余时间独立钻研取得这些成果爱因斯坦的成就不能不说是科学技术史 上的一大奇迹也是人类科技史上最光?#35782;?#30446;的一页毫无疑问爱因斯坦 具有不同于常人的高度发达的?#30036;?#21152;工中心?#34180;?#22823;脑科学家们?#20004;?#20173; 在努力揭开这个?#30036;?#21152;工中心的奥秘但从另一方面看爱因斯坦的成 就并不是偶然的 ?#29627;?#20174;学生时代到就职于伯尔尼专利局 ?#20445;福P?年 月 ?#20445;?日爱因斯坦出生于德国乌尔姆的一个犹太商人家庭 他和牛顿一样并不早慧但?#26377;?#23601;有强烈的好奇心酷爱大自然而且?#19981;?思索其中的奇妙现象在树林里游玩他琢磨阳光透过树叶在地上留下的美 丽图?#31119;?#22312;湖边他会专注地观察湖面上起伏的波纹四五岁时?#24433;职?#37027; 里得到一枚指?#38505;?#38754;对总是在一个?#36739;?#38468;近游动的指针小爱因斯坦惊奇 不已竟呆呆地想个不停上学后几年的某个学期他拿到一本欧几里得几 何学课本书中对几何公理严谨明晰的论证再次使他惊奇不已并激发起 他强烈的求知欲他等不及听老师讲授就一口气读完了它 正如爱因斯坦后来所说的这种种惊奇是经历的事情同我们的充分 固定的概念世界有冲突时才会发生每当我们尖锐而强烈地经历这种冲突 时它就会以一种决定性的方式反过来作用于我们的思维世界思维世界的 发展在某种意义上说就是对惊奇的不?#20064;?#33073; 少年时代还有两本书对爱因斯坦的影响比较深一本是伯恩斯坦的自 然科学通俗读本书中光速问题被放在第一卷的最前列作为所有自然 观察的开端作者用引人入胜的叙述引导读者去思索理解自然现象爱因 斯坦在这里首次接触到光速的基本含义问题而且这个问题从此一直激励 引导着他直至创立了相对论另一本是?#24049;?#32435;的力和物质具有朴素 的现实主义思想这些自然科学启蒙著作较早地形成了爱因斯坦的怀疑主义 思想 从少年时代起爱因斯坦就?#19981;?#24320;诚布公毫不掩饰自己的观点他对 学校那种?#20848;?#30828;?#22330;?#22240;袭守旧的教学方式很不以为然?#19981;?#25353;自己的想法学

    习根据自己的思索和理解来寻求对任何问题的解答表现出非凡的自学能 力 在苏黎士上大学时他把主要精力充分利用于学习但仍不注重学校的 正规课程而?#19981;?#29420;立思考和自学他为自己开列了长长的书单并制定了 ?#32454;?#30340;阅?#33391;?#21010;这些书中有基尔霍夫?#20445;福玻础保福福P?#20133;姆霍兹?#20445;福玻薄??#20445;福兆取?#29627;尔兹曼?#20445;福础保埃?#21450;麦克斯韦等著名物理学家的重要著 作通过对这些著作的学习爱因斯坦掌握了电磁理论还从亥姆霍兹等人 的著作中汲取了哲学和认识论方面的思想 奥地利著名物理学家哲学家马赫的力学及其发展的批判历史概要 以下简称力学史则给他留下了深刻?#24535;?#30340;印象?#20445;?世纪中后期 当多数物理学?#19968;固兆?#20110;经典力学的完美无缺时马赫就看出了经典力学理 论框架的局限性在 ?#20445;福福?年出版的历史性著作力学史中他抨击了 ?#20445;?至 ?#20445;?世纪统治着物理学基础的教条主义 其中最为突出的是对牛顿绝对时空 观的批?#23567;?#36825;些对爱因斯坦创立相对论产生了深刻的影响在狭义相对论对 同时性问题和在广义相对论对惯性问题的思索中爱因斯坦都从马 赫的著作中受到了启?#23613;?#29233;因斯坦到晚年还赞颂力学史为一本革命著 作?#34180;?大学毕业以后的两年时间里爱因斯坦常为谋求职业而忧?#24688;?#22868;波后 来在朋友的帮助下被伯尔尼的联邦专利?#21046;?#20026;技术?#20445;?#21322;年后爱因斯 坦和大学时的同学米列娃结了婚米列娃是塞尔维亚人当时也是物理教师 ?#20445;埃?年 月到 ?#20445;埃?年 ?#20445;?月爱因斯坦在伯尔尼专利局工作了 年这 是他一生中科学研究最丰产的时间为了胜任专利技术员的工作他必须多 方面思考物理问题技术问题还要有充裕的时间和精力来思索更多的学术 问题 在专利局工作的前 年里他和他的两位朋友哲学系的大学生素罗文 及苏黎士时的学?#21387;?#27604;希特组成哲学小组并命其名为奥?#21046;?#20122;科学院?#34180;?在科学院里他们一起研读了许多哲学著作和科学研究论著如马赫的 力学史和感觉分析对爱因斯坦来说是再次研?#31890;?#36824;有皮尔逊的科 学法则弥尔的逻辑学休谟?#20445;P保薄保PP?#30340;人性论斯宾诺 莎?#20445;常病保PP?#30340;伦理学亥姆霍兹的报告演?#23548;?#21644;?#25165;?#30340;自 然哲学著作还研读了黎曼的?#37117;?#20309;学基础和戴德金等的数学论著对彭 加勒的科学与假设科学院的院士?#24688;?#35752;论了?#38050;?#26102;间作者的 科学思想和批判精神无疑给爱因斯坦留下深刻的启示?#22270;?#21169; ?#20445;埃?年哈比希特离开了伯尔尼索罗文到法国学习奥?#21046;?#20122;科学 院也结束了它的使命 年来广泛深入地集体自学哲学和科学著作的活动 使爱因斯坦在以后的科学研究道路上获益匪?#22330;?爱因斯坦从前人的著作中汲取了两方面的财富一方面是对经典物理学 理论及其内在矛盾的深刻理解一方面是批判和分析的思想对于各派思想 家的哲学著作爱因斯坦感兴趣的并不是他们的结论而是他们提出的问题 和对问题思索是当他面临认识论困境而寻求出路时可从中获取的启?#31232;?#20363; 如爱因斯坦自己承?#24076;?#20182;曾直接或间接地特别?#26377;?#35871;和马赫那里受到很 大启发?#20445;?#20182;十分?#24352;?#39532;赫?#24688;?#22362;如磐石的怀疑态度和独立性?#34180;??#24120;?#29233;因斯坦的科学探索精神和风格 爱因斯坦在吸收前人思想精华的基础上形成了他自己独特的科学探索

    的精神和风格 他不仅勇于摒弃一?#23567;?#19990;俗的偏见?#20445;?#20513;导彻底的怀疑态度还具有勇 敢的创新开拓精神这种精神贯穿于这位量子论和相对论创始人的整个科学 探索活动中这也许能解释为什么?#21069;?#22240;斯坦而不是洛伦?#21462;?#24429;加勒或别 的人创立了狭义相对论洛伦兹提出的长度收缩以及地方时间等假 说已经?#29616;?#21160;摇了经典力学的基础但他未能从根本?#20064;?#33073;静止以太理论和 牛顿绝对时?#23637;?#30340;束缚对他自?#21644;?#20986;的洛伦兹变换式也一直未能揭示和 解释其真正的含义彭加勒提出了一些更为接近相对论的重要思想甚至提 出了相对性原理的普遍性但也没有意识到要从根本上改造整个物理学的 基础而始终未?#19994;?#31361;破口 爱因斯坦不仅具有犀利的批判力和创新开拓精神更具有彻底的科学探 索精神狭义相对论的创建工作刚刚告一段落许多人尚不能接受和理解狭 义相对论的观点时爱因斯坦已经开始了对广义相对论的研究曾积极支持 他创立狭义相对论的物理学家这时对爱因斯坦不解地说现在一切?#27982;?白地解释了您为什?#20174;置?#20110;另一个问题呢在广义相对论的 ?#20445;?年探索 中他遇到了数学等方面的很大困难但从未却步?#20445;保?年广义相对论得 到了天文观测实验的证实爱因斯坦誉满天下这时他又选择了另一个更 为艰难的新的探索目标建立统一场论直至临终前不久仍在为这个目 标而奋斗 爱因斯坦具有敏锐的物理?#26412;?#21644;深邃的思维分析能力善于从人们认为 很平常的事实中发现问题领悟出一般人认识不到的事物的本质所以也 只有爱因斯坦才能创立包含着深邃思想的广义相对论广义相对论的建立突 出表现出了逻辑思维?#26412;?#24605;维和哲学思维的能动作用爱因斯坦本人也认 为要是我没有发现狭义相对论?#19981;?#26377;别人发现的问题已经成熟但 是我认为广义相对论的情况不是这样爱因斯坦把广义相对论看作自己 一生中最重要的科学成果 善于设计理想实验在爱因斯坦的科学探索活动中是十分突出的理想实 验也称为思想实验是科学研究人员源于自身的经验但又超出自身经验的 一?#25351;?#32423;的思维活动这种思维方法是针对研究过程中所出现的问题进行的 辩证的深入的抽象的分析因为这种思维活动?#21069;?#29031;实验的特点进行的 所以被称为理想实验和?#23548;什?#20316;的实验不同理想实验并不需要现实的仪 器设备但它所需要的实验仪器常常超越当时的科学技术发展的水平 在爱因斯坦之前许多自然科学家如伽利略等就曾运用过理想实验 但关于理想实验的提法最早见于爱因斯坦 ?#20445;玻?年的著述 ?#27573;?#26159;怎样创立相对 论的而且在科技史上最成功地最多地应用理想实验的也当首推爱 因斯坦 ?#20445;?岁时他就设计了一个理想实验即所谓的?#30333;?#20809;实验?#20445;?#20182;设想 当光的接受器 如人的眼睛 跟随在光的后面飞奔 将会有什?#36766;?#26223;发生呢 会不会处于一个不随时间变化的波场中相对论就孕育萌芽于这样一个朴 素的理想实验中在狭义相对论的创立过程中爱因斯坦设计了著名的高 速爱因斯坦火车的理想实验来推证同时相对性?#20445;?#22312;广义相对论的探索 过程中爱因斯坦则设计了另一个著名的理想实验即爱因斯坦电梯或 称之为爱因斯坦密封舱以推证等效原理的合理性 ?#20445;玻?年 ?#20445;?月在布鲁塞尔第五届索尔维物理会议上围绕着量子力学

    理论的物理诠释爱因斯坦和以玻尔为首的哥本哈根学派展开了激烈的论 争爱因斯坦认为量子力学并不描述单个体系的行为而描述许多相同的 单个粒子所组成的系统的集体行为因此量子力学理论是不完备的哥本 哈根学派则认为量子力学能描写单个体系的状态是完备的理论在会上 爱因斯坦设计了多个理想实验例如单缝衍射理想实验?#34180;?#22810;缝衍射理 想实验等试图证明可以同时准确地测定粒子的位置和动量以?#26723;共?#19981; 准关系但是这次的论争是以玻尔成功地?#27425;?#20102;测不准关系和互补原理而 结束 ?#20445;常?年 ?#20445;?月在布鲁塞尔召开的第六届索尔维会议上爱因斯坦又精心 设计了一个被称为光子箱的著名理想实验向测不准关系发出了严峻挑 战虽然爱因斯坦最终并?#25381;心?#20498;哥本哈根学派但他精巧?#39038;?#21644;设计的理 想实验仍令后人叹服而且这场由爱因斯坦发起的学术论战引导和促进了 量子力学的发展是科学史上最著名最深入最富有成效的学术论争 理想实验可用于建立一?#20013;?#30340;理论但它并不能作为检验物理理论真理 性的标准只有真实实验才能检验理论的正确与否而爱因斯坦卓越的实 验设计才能不仅表现在理想实验的设计方面他还常常为重大的理论研究 直接提出惊人的真实实验验证方法并预言实验的结果例如爱因斯坦就 预言了光线在太阳引力场中将要发生偏折的广义相对论效应 并于 ?#20445;保?年给 出了约 ?#20445;?秒的实验偏折值 ?#20445;保?年由英国科学家爱丁顿和克罗姆?#33268;?#39046;的 两支远征观测队分别证实了爱国斯坦的预言同时也证明了广义相对论的正 确性 爱因斯坦的科学指导思想 在爱因斯坦的科学创造活动中贯穿着他坚定的科学信念或者说一 些明确的科学的哲学思想支配和引导着爱因斯坦的科学探索成为他攻克一 道道难关的锐利武器这些科学指导思想有统一?#36816;?#24819;简单?#36816;?#24819;和对称 ?#36816;?#24819;等而最突出的无疑是统一?#36816;?#24819;即对自然界和?#22330;?#32479;一的坚定信 念 统一?#36816;?#24819;是人类思想领域里最早萌芽且最富有生命力的思想之一开 创自然科学的初期人类就把将各种自然现象概括成一个统一的体系作为自 己的目标而探索这种统一性的伟业则激励着一代又一代的自然科学家 爱因斯坦?#24551;?#23569;年时代就追崇世界的统一性对自然界的神秘的和?#22330;?怀着深深的敬仰和赞赏他认为从那些看来同直接可见的真理十分不同 的各?#25351;?#26434;的现象中认识到它们的统一性那是一种壮丽的感觉?#34180;?#25506;索这 种?#30333;?#20029;的统一性的信念贯穿于爱因斯坦科学研究活动的始终并体现于 各个领域和不同阶段的成果中 有人认为爱因斯坦创立狭义相对论是为了解释麦克尔逊莫雷实验和 以太理论之间的矛盾?#23548;?#19978;他是为了克服经典物理学体系的内在矛 盾即经典力学和经典电动力学之间的内在逻辑不统一性因为对经典力 学来说不存在一个特殊的惯性坐标系可以被认为是绝对静止的坐标系也 就是说经典力学满足相对性原理而对经典电动力学来说若存在以太 静止参考系那么经典电磁理论就不满足相对性原理狭义相对论就是在解 决这种不和?#22330;?#19981;统一坚持相对性原理的普遍性构造具有更高统一性的 新理论的过程中诞生的英国著名宇宙学家邦迪评述道任何主?#29275;?#21482;要 声言物理学的统一性是不可少的都必然会推出狭义相对论因为它不容

    忍所有的惯性系从动力学的观点看来是等效的但根据光学测量又是可分辨 的 也有人认为爱因斯坦创立广义相对论是为了改造牛顿引力理论存在的 问题并将牛顿引力理论纳入狭义相对论的框架事实上爱因斯坦又是从 克服物理体系内部的某些不统一性出发这种不统一表现在惯性系和非惯性 系之间表现在速度的相对性?#22270;?#36895;度的绝对性之间 爱因斯坦对统一场论的探究则是为了寻求自然界的一?#25351;?#39640;的统一 性即电磁作用和引力相互作用的统一 爱因斯坦的光量子假说也主要是基于统一?#36816;?#24819;在提出这一假说的 论文关于光的产生和转化的一个启发性的观点的开头爱因斯坦就指出 在物理学家关于气体或其他有重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所 谓空虚空间中的电磁过程的理论之间有着深刻的形式上的分歧这就是 我们认为一个物体的状态是由数目很大但还是有限个数的原子和电子的坐标 和速度来完全确定的与此相反为了确定一个空间的电磁状态我们就需 要用连续的空间函数因此为了完全确定一个空间的电磁状态就不能认 为有限个数的物理量就足够了可以看出爱因斯坦正是为了消除?#33267;?#30340; 质点与连续的场之间的形式上的不统一性而提出光量子假说的 在爱因斯坦的其他研究成果中如对原子分子热运动的研究等无一 不?#28872;?#30528;统一?#36816;?#24819;的灿烂光华 简单?#36816;?#24819;也?#21069;?#22240;斯坦所追崇的科学思想之一在爱因斯坦的简单性 思想中最重要和最深刻的是?#22885;?#36753;简单性思想他指出逻辑简单性就 是努力把一切概念和一切相互关系归结为尽可能少的一些逻辑上独立的基本 概念和公理也就是说逻辑简单性是指一个科学理论具有尽可能少的逻 辑上互相独立的基本概念和基本原理他认为?#25300;?#19968;事关重要的是基础的 逻辑简单性?#20445;?#20063;就是说逻辑简单性的核心是基础结构的简单性 狭义相对论的整个理论体系就是建立在相对性原理和光速不变原理上 这两条基本原理的文?#20013;?#36848;仅一百余字正是由爱因斯坦用非常简单的形式 所表达出来的原理思想中引申出了人类时间空间观念的大变革带来了思 想的大飞?#23613;?#24191;义相对论的基本假设也只有两条虽然这一理论的数学形 式令人生畏但了解其内涵的数学和物理学家无不赞美它的逻辑简单性和 形式的完美性 爱因斯坦的成功是正确的科学思想综合作用的结果而爱因斯坦的伟大 还在于他不仅应用了这些思想充分发挥了这些思想在探索中的武器作用 而且通过他的科学探索活动大大丰富或明确了这些思想的内涵爱因斯 坦的科学的探索过程还首创了物理几何化等思想对丰富人类科学思想宝 库作出了重大贡献这些重要思想对 ?#29627;?世纪物理学与数学的发展产生了深 远的影响 ?#25285;?#21697;德高尚的伟大科学家 广义相对论取得巨大成功后许多人赞扬爱因斯坦是 ?#22467;玻?世纪的牛顿?#34180;?更多的人则认为很难?#19994;?#22312;?#23548;?#21644;品德上都能和爱因斯坦相媲美的人 爱因斯坦在其一生中淡薄名利谦虚正直?#38750;?#30495;理服从真理著 名物理学家劳厄称赞爱因斯坦说有幸能与爱因斯坦接近的人都知道他 从未对别人的精神财富打过主意他是个谦虚而又反对浮夸的人 在长达半个世纪的科学创作活动中爱因斯坦先后发表了很多自然科学

    论文学术著作和社会政治言论?#25285;?岁期间他发表的专利论文数?#21487;?至超过科学论文的数目仅就物理学方面的成果看他理应获得多次?#24403;?#23572; ?#20445;?#20294;因种种原因他只获得一次这种奖励但他一生中从未陷入争夺发 明权?#34180;昂次?#20010;人研究成果等争名夺利的争端中相对论的成功使爱因 斯坦誉满天下但他对名利应酬和种?#25351;?#20154;崇拜淡薄以对仍然一如?#38887;?在探索真理的道路上不畏艰难?#38706;?#22320;行进着 就相对论的创立爱因斯坦曾谦虚地解释道 怎么偏偏是我创立了 相 对论呢我认为原因在于一个正常的成年人不见得会去思考空间时间 问题他会认为这个问题早在童年时代就搞清楚了?#20197;?#27491;相反智力发展 得很慢成年以后才开始思考空间和时间的问题显然我对这些问题比儿 童时期发育正常的人就要想得深一些 两个美国大学生曾就爱因斯坦名声之大进行打?#27169;创?#32654;国某地发 出一封?#29275;欧x现础?#29233;因斯坦收?#20445;?#30475;是否能收到爱因斯坦后来笑着 说信收到了而且?#21069;?#26102;收到的但这只能?#24471;示?#24037;作得好 爱因斯坦具有自我批判尊重真理的正直态?#21462;?#22312;宇宙学的早期研究活动 中爱因斯坦最先得出一个静态的宇宙模型后来苏联科学家弗里德曼给出 另一动态模型爱因斯坦一开始不承认弗里德曼等人的成果对动态宇宙模 ?#32479;只?#30097;和批评态?#21462;?#24403;支持动态模型的哈勃红移现象发现后爱因斯坦承 认了自己的错误收回了对弗里德曼的批评 爱因斯坦不仅是一个伟大的科学家还是一个具有浓厚的和平主义与国 际主义色彩的思想家他热爱和平反对?#33268;?#25112;争不屈服于法西斯主义的 强暴与?#32676;?#19968;直为保卫世界和平而斗争 ?#20445;保?年广义相对论对太阳引力场的光线偏折的预言得到实验证实后 全世界都出现了相对论热?#34180;保?#29233;因斯坦成为享有很高国际威望的科学家 德国科学界的许多人士盛赞爱因斯坦史无前例的思想深邃的工作?#34180;?#30001;于 爱因斯坦是犹太人德国的一些热衷于?#32676;?#29369;太人的极端民族主义者对爱 因斯坦发起了激烈的攻击?#20445;玻?年 月德国的一些极端民族主义分子和排 犹主义分子搞起一个专门反对相对论和爱因斯坦的组织这个组织中甚至有 勒纳德?#20445;福玻丁保P?#36825;样的?#24403;?#23572;?#33519;?#33719;得者他们污蔑相对论是犹太 精神的江湖骗术?#20445;?#26159;理论上无法成立的虚构?#20445;?#26159;历史上的最大欺骗?#34180;?他们甚至主张把物理学分成两类一类是真正富有成果的德国人的物理 学?#20445;?#21478;一类是破坏性的愚蠢的犹太人的物理学?#34180;?#29233;因斯坦称这个组织 为反相对论公?#23613;薄?纳粹分子上台后对敢于不服从他们甚至顶撞他们的爱因斯坦终于恼 羞成怒 ?#20445;常?年?#28023;智送匠?#36827;爱因斯坦在柏林的住宅掠走了所有财物 并没收了他在卡普特的别墅同年 月爱因斯坦愤离德国并接受了美国 普林斯顿高级研究所的一个职位此后便一?#26412;?#20303;在普林斯顿从事他的 科学研究工作 第二次世界大战前夕科学家们获悉原子裂变的实验已在德国取得成 功而且有情报证实纳粹分子正积极组织人力进行核链式反应的研究他 们敏锐地预感到如果法西斯把有关的核研究成果用于战争目的将给世界 文明带来十分可怕的后果物理学家们采取了一些紧?#36125;?#26045;共同保守有关 裂变和链式反应研究的全部秘密并?#23578;?#29273;利物理学家西拉德起草了一封给 罗斯福总统的?#29275;?#35201;求美国尽快研制原子弹爱因斯坦在给罗斯福总统的信

    上签了名他说我的确感到这种可怕的危险这个行动一旦得逞将给人 类带来多么?#29616;?#30340;后果德国人在这一方面作了研究预计会成功这就迫 使我走这一步即便我一直是个坚定的和平主义者也深感别无出路 后来希特勒并没有抓紧时间把科学家们对裂变现象的研究用于研制战 争武器当急需这种神奇武器时法西斯已日?#21644;?#31351;美国?#22885;?#21704;顿工 程研制成功的原子弹后来?#26007;?#21040;了日本人口稠密的长畸和广?#28023;?#23545;大量 无辜平民的?#36865;z?#29233;因斯坦感到十?#32456;?#24778;和愤怒这以后他坚定不移地投 入反对原?#27833;?#26432;和反对美国的原子外交政策的斗争为谋求各国人民之 间的和平和谅解作了大量工作 ?#20445;担?年 月初 岁高龄的爱因斯坦因健康原因不得不住进医院在 此期间他仍呼吁起草制止原子战争的文件 爱因斯坦于 ?#20445;担?年 月 ?#20445;?日去世临终前的遗嘱再一次表达了这位伟 人的精神境界生前的办公室要让别人使用寓所不要成为朝圣的纪念 馆不要举行任何悼念活动不要坟墓也不要树立纪念碑骨灰风撒大地 爱因斯坦走完了他的人生历程但科学巨匠的丰碑将永远竖立在每个科 学工作者的心中

    五化学理论的发展与化学工业的勃兴 火及燃烧现象之本质是什么在长达一个世纪之久的时间内燃素说在 化学领域中占据了统治地位法国化学家拉瓦锡?#20445;P场保P?#22312;批判继承 前人成果的基础上通过实验验证于 ?#20445;PP?年提出了氧化说在水的化合和 分解实验取得成功之后氧化说获得了举世公认从此化学科学割断了与 古代炼金术的联系逐渐形成了一个科学知识的体系开创了化学的新时代 在 ?#20445;?世纪初英国的道尔顿?#20445;P丁保福?#25552;出了原子论他认为一切 物?#35782;?#26159;由原子组成的?#20445;福埃?年 ?#20445;?月 ?#20445;?日道尔顿在曼彻斯

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