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物理科技小论文 我要一篇物理科技小论文

作者:刚子seo 日期:2023-10-26 点击数:

大家好,今天小编来为大家解答以下的问题,关于物理科技小论文,我要一篇物理科技小论文这个很多人还不知道,现在让我们一起来看看吧!

科技论文800字物理:物理科技小论文800字

科技论文进行一些现象和问题的研究,它是科学技术人员对自然科学进行科学分析、综合的研究和阐述,下面是由我整理的科技论文800字物理,谢谢你的阅读。

科技论文800字物理篇一

随着能源的减少,人们逐渐变得重视节能了。在我还上小学时老师就教育我们节约能源,是为了让我们人类能在地球上永远的生活下去。在现实生活中,还有大多数人仍不清楚怎样节能,让节能只是一个说的到,却不能完全做的到的事情,往往还因缺乏科学的节约常识和“小窍门”,造成一些不必要的浪费。现在我来就家庭节电方面给大家介绍几个小窍门。

一.电饭煲节电小窍门

现在市面上的电饭煲分为两种:一种是机械电饭煲,另外一种是电脑电饭煲。使用机械电饭煲时,电饭煲上盖一条毛巾,注意不要遮住出气孔,这样可以减少热量损失。当米汤沸腾后,将按键抬起利用电热盘的余热将米汤蒸干,再摁下按键,焖15分钟即可食用。电饭煲用完后,一定要拔下电源插头,不然电饭煲内温度下降到 70度以下时,会自动通电,这样既费电又会缩短使用寿命。尽量选择功率大的电饭煲,因为煮同量的米饭,700瓦的电饭煲比500瓦的电饭煲要省时间。电脑电饭煲一般功率较大,在800瓦左右,从而节能。

二.电视机节电小窍门

电视机节能可以通过如下几条途径:首先控制好对比度和亮度。一般彩色电视机最亮与最暗时的功耗能相差3O瓦至50瓦,建议室内开一盏低瓦数的日光灯,把电视对比度和亮度调到中间为最佳。其次控制音量,音量大,功耗高。另外,一个省电的办法是观看影碟时,比较好在AV状态下。因为在AV状态下,信号是直接接入的,减少了电视高频头工作,耗电自然就减少了。其次是看完电视后,不能用遥控器关机,要关掉电视机上的电源。因为遥控关机后,电视机仍处在整机待用状态,还在用电。一般情况下,待机10小时,相当于消耗半度电。最后是给电视机加防尘罩。这样可防止电视机吸进灰尘,灰尘多了增加电耗。

三.电脑节电小窍门

不用电脑时尽量把电源开关给关掉,这样可以降低耗电量。不用电脑的时候要用一个套子把它套住,不要让灰尘进入电脑,降低用电量,还要不定期的把主机内部的主板和*部件拿出来清洗,这样才可以更好的降低用电!!能尽量不用电脑的时候就不要用电脑。

节能是很重要的,人人都应该用这些小窍门,不应该因嫌麻烦就不去做这些事。这些事对谁都有极大的好处的,仅仅需要举手之劳而已。有关部门也应该加大节能力度,多多宣传。让人类都来节约这并不是永远都有的能源吧!也让我们每个人为造福我们的后代而加油、努力吧!

科技论文800字物理篇二

学习到生活中,我们都离不开纸,而造纸的原材料主要是树皮等植物的纤维,但由于人们盲目的砍伐。现在树木也越来越少了,所以我们要节约用纸,人人有责,要从我们身边的小事做起。

“节约用纸”对我们比起节约水电来似乎遥远了一点。很少清楚节约用纸和保护生态环境有什么直接关系。我们每个人每天都在用纸,用各种各样的不同类型的纸。那么你统计过吗?你每天要用多少张纸?你一星期要用多少纸?你一个月至一年要用多少张纸?结果是惊人的。一张纸从何而来?纸是由树“变”来的。一棵树往往需要长几十年才能被人类利用。人类是无情的,电锯声中,几十年长成的大树轰然倒地。那些木材,运往造纸厂,变成了一张张纸。纸给人类带来了方便,但同时给森林造成了极大的影响。树木不仅可以用来造纸,还可以提供木材。大面积的森林可以涵养水源,防止水土流失,净化空气。如果没有树木,就没有氧气,那我们也就无处安身。森林的消失危害巨大:黄土高原上原本覆盖着成片的森林,郁郁葱葱,一望无际的林海,泛着绿色的波涛。但是,由于人们的破坏,现在黄土高原已真正成为只有黄土的高原,大地脱去了外衣,裸露出了黄色的皮肤,是那样令人痛心。

每年的3月12日是“植树节”。这一天,我们都拎着工具去植树。我国现在的森林覆盖率已上升。这是人类改过自省的结果,是令人欣慰的。

但是,虽然森林覆盖率上升,但仍然很低。所以,植树造林是一项艰巨的任务,也是人类永远的任务。现在已步入冬季,虽然已经过了植树的比较好时节,但我们可以在心中播散“节约用纸”的种子,种植“植树造林”的树木,等到来年春天,这些树木已发了芽,长高了。我们可以拿着工具到户外去,将树木的种子播散到土地上,精心呵护它们,让祖国大地充满绿色!为我们遮风挡雨。节约纸张,从我做起。

科技论文800字物理篇三

科学往往是很吸引人的,而且科学还是永远探索不完的,永远新鲜有趣的。比如,就拿漂浮的鸡蛋这一实验也许很多人都知道,但做实验的过程远比听说的要新颖。

实验很简单,材料只有四样:大玻璃杯、食盐、勺子、鸡蛋。虽说简单,却可以从中收获无限知识。

我拿起水壶,在玻璃杯里倒进大半杯水,接着轻轻把鸡蛋放入水中,鸡蛋在杯中沉入底部后就不动了,似乎在休息。

接着我放了1勺盐,鸡蛋没有动静;我开始放第2勺盐,鸡蛋仍然安安静静的躺在杯底;我一气之下放了6勺满满的盐,鸡蛋没有辜负我的期望,上升的一点;我不服输的放了2勺盐,鸡蛋上升指数又高了些。

我听说别人的鸡蛋可以漂浮的水中间,就把鸡蛋拿出来,用勺子搅拌了一下未融的半成品盐水,待杯子底部的盐化了,才慢慢把鸡蛋放进去,这时,鸡蛋不停地上下浮动,我等了一会儿,鸡蛋不动了,挣扎着浮出水面。

我把剩余的2勺盐倒入水中,鸡蛋逐步上升到水面,如戴着泳圈在自在的游泳,我淘气的用手指把鸡蛋往下压,松开手指,鸡蛋又很快飘回到水面。

为什么鸡蛋会飘浮起来?我从电脑中取得了收获:鸡蛋刚放进清水里的时候,由于鸡蛋的比重比水大,鸡蛋受到的浮力小于本身的重量,所以它会沉到底部;放盐后,水把盐溶解了,水的比重增加,当盐水的比重等于鸡蛋的比重时,鸡蛋就会浮在水的中间;再继续加盐,当盐水的比重大于鸡蛋的比重时,鸡蛋就会浮在盐水的上面,并且鸡蛋顶部露出水面。

老师在课堂上告诉我们:任何物体在水里都会受到浮力,受到浮力的大小等于物体排开水的体积的重量,这就是着名的“阿基米德定律”,也叫浮力定律。其实科学就和长大要学的物理差不多。

我很惊奇这个小小的实验居然蕴含了如此丰厚的定理,这才明白科学除了用来放松用来玩,还对我们有很深的重要性。我暗暗下定决心在往后的日子里好好学物理,好好研究这有趣的科学。

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我要一篇物理科技小论文

骨笛遐想

——浅析小提琴发声、调音的物理原理

一.选题意义

据我国最早的物理史学家吴南薰先生考证,世界上第一个人工制作的物理仪器就是在兽骨或竹管上挖孔并能吹出声音来的笛子。这既是一种乐器,也是一种声学仪器;我国古代对共鸣、弦的振动、管的音调的研究等都是通过乐器来进行的;希腊哲学家毕达哥拉斯发现了琴弦的长短与音高有一定的关系;从近代物理学发展来看,声学依旧占据着相当重要的部分,且与我们的生活息息相关;……

许多同学都会演奏一些乐器,但对于弦乐器的调试却无从下手。我们结合已经学过的振动学知识,浅析西洋擦弦乐器——小提琴的发声原理,并为演奏者检音、调试提供理论依据和实验结果参考。

二.相关物理知识

实际的乐音由基频、谐波(泛音)、分音三部分组成。每一个乐音即周期性的振动都可以分解为许多不同频率、不同相位、不同振幅的简谐振动的叠加。简单的简谐振动即正弦振动或余弦振动的传播产生的声波叫做纯音,实际的乐音如歌唱声、乐器声等都不是简单的纯音,而是许多的纯音的叠加。在这些简谐振动中,频率最低的叫做基频,基频的能量往往是最大的。频率是基频整数倍的叫做谐波,其余的高频振动叫做分音。现代的分析中表明,还有低于基频的次声。从物理上讲,音乐声应由三部分组成:乐音、在音乐中使用的噪声(如锣、鼓、沙锤、梆子等没有固定音调的打击乐器和海涛、流水、风声等效果声音)以及对音色有影响的在谐波中存在的一部分超声。

一般发生体振动的频率越高,人们听起来音调也越高;发生体的振动频率越低,人们听起来音调就越低。但音调与频率之间并不是严格按比例对应的。一般认为,频率每增高一倍,音调听起来就高一个八度,这仅仅限于中频段。在高音部分,听感偏低,即频率增加一倍,听起来不到高八度,而是偏低,于是要把频率调高些,以适应人的听觉。低音段则听感偏高,于是需要把频率调低些。

乐音听起来有一定的强弱,即音的响度,这是乐音的第二个主观量。声音的能量越大,声强越大,听起来响度就越大。但是,这二者也不是按比例一一对应的。

至于音色,更是一种主观感觉了。从传统来讲,决定音色的主要因素是频谱,所以常常根据频谱模仿各种音色。但据资料显示,实践表明:音的起始与结尾的瞬间状况,即“音头”和“音尾”,也同音色大有关系。音色不仅与频谱的组成(即基频、谐波和分音的数目、长短、相对强度、分音的不谐和程度及瞬态)有关,还与基频和谐波在听音区的位置有关,这是由于人耳对于多种频率的响度反映不同。音色也与听者距声源的距离有关,这是因为一个音中的各种成分的衰减不同。

三.相关音乐知识

音程,就是两个音音高之间的距离。在音乐上,音程用“度”表示。几度就是把起始音算在内,沿着音阶数有几个音名。钢琴上相邻两个键(包括黑键)之间差半音,两个半音等于一个全音。这也是一种表示音程的方法。音程与频率基本上是一一对应的关系。

把两个相差八度音程之间的音顺次排列,就成为音阶。规定音阶中各个音的由来及其精确音高的数学方法叫做律制。

最常用的三种律制是十二平均律、五度相生律和纯律。音阶中的各个音都有音名,由于生律的方法不同,不同律制生成音律中的同名音(例如都是)其频率是不一样的。

十二平均律是我国明代科学家朱载堉最先发明的,比西欧早了几十年。他将一个八度音程(频率比为2)按等比数列均分为十二份,得十二律。当前的钢琴和所有键盘乐器以及带“品”的弦乐器等,用的都是这种律制。

数学表示:相邻两音之间的频率比均为:即从任何一个音开始,比该音高半音的音,其频率是该音的频率乘;比该音低半音的音,其频率是该音的频率乘;以此类推,可得出所有音的频率。

十二平均律有许多优点,比如它易于转调,简化了不同调的升、降半音之间的关系。

在小提琴中,假如以音的弦长为基准,那么小字一组(其中的比高两个八度)、、、、、、对应的弦长之间按照十二平均律可由频率关系确定一组固定比值。

四.研究与实验

小提琴的弦是一根两端固定的细钢丝。在拨、擦弦线时产生的波列经两固定端反射,叠加后形成驻波,但其中包含有许多频率的波。在这里,我们只对决定音调高低的基频振动做出分析研究。

驻波的基频振动所对应的为波长最长的振动,即弦长。提琴弦线与指板之间的距离很小,用手指在指板上压紧琴弦不同位置而使得弦产生的形变量很小,可以忽略不计。则可认为弦上张力,及弦的质量线密度保持不变,可得弦线中波速近似恒定。可认为有如下比例关系成立:

实验过程:一把小提琴,经专业乐师调音后,定下音,再由一位有多年演奏经验的同学拨奏单音,多位乐感敏锐、受过专业训练的同学一起听辨,配合其他乐器校对各音高。记录及计算数据如下表。表中的k值定义如下:

相差一个半音的两个音高对应

相差一个全音的两个音高对应

序号n音高音名比下

音程差弦长/mm总长:320.0mm上述k值

第一次第二次第三次平均值计算值理论值误差率

1

全音 243.0 243.8 243.7 243.5 1.11 1.12 1.39%

2

全音 220.0 220.9 219.2 220.0 1.13 1.12 0.25%

3

半音 195.5 196.1 195.0 195.5 1.07 1.06 1.11%

4

全音 182.5 181.9 183.1 182.5 1.12 1.12 0.18%

5

全音 162.5 162.0 162.3 162.3 1.13 1.12 0.48%

6

全音 143.8 143.8 144.2 143.9 1.11 1.12 1.00%

7

半音 130.0 129.8 128.7 129.5 1.05 1.06 0.79%

8

124.0 122.4 123.2 123.2

其中弦长一栏为小提琴弦(四根弦由粗到细依次叫作、、、弦,指的是该弦的空弦音)上对应各音高压指与琴码两固定点之间的距离,即参加振动的部分弦长。

如上数据显示,平均误差率为0.74%,基本符合前文理论分析。

五.结论

我们总结出对于一把小提琴(邻弦相差五度)的自我调试方法:

以一根弦,例如弦,的空弦音为标准,按音高关系计算出同一根弦上所对应的弦的长度。取音高即与弦空弦音等高(这是小提琴的制作要求)。依次调整弦的松紧、长度后,再算出弦上的音高,作为弦的空弦音。……同理进行下去。

此种方法适用于各类提琴及吉他等擦、拨弦乐器,但须注意:

①对于比空弦音高出许多的音,计算方法误差较大。实验中在一根弦上进行多组数据测量只是为了便于计算、对比,得出结论;实际操作中应对各相邻琴弦依次校对。

②大提琴与吉他相邻的弦空弦音相差四度,计算时应注意数据与小提琴不同。

希望我们的研究能够对广大演奏弦乐器的音乐爱好者提供帮助。

初中物理科技小论文

物理小论文

生活中有很多的物理现象,许多简单的现象可以用所学知识去解答。

现象一:飞快的火车有一个安全距离,当我们在公路上步行时,不宜靠中太近,除了害怕离线的车会撞到之外。还有一个意料之外的原因,对此本文将作出解答。

现象二:取两片很薄的纸,将他们贴近,用力的吹,我们并不能将纸吹开,反而出现被“吹拢”的情况。

现象三:,对于相同流量的水而言,口径大的水龙头,水的流速很慢,但是对于口径小的水龙头,可以明显的看到流速加快了。这是什么原因呢?

总结来看,空气和水都是流体,在两者之间有着一定的共同点,都遵循流体的基本性质,在流体的学习中有两个很重要的方程叫:伯努利方程和连续性方程。用它们就可以很简单的解释上面三个现象。伯努里方程的基本表达式为:P+1/2pv+pgh=恒量。P指流体周围的压强大小,p指流体本身的密度,v指流体的速度。在上述但现象中,可把水和空气近似的看作理想流体,且它们作常流动。在以上前两种情况中,都可以将pgh看作是不变的,所以我们很容易的就得到P+1/2pv=恒量。容易得出压强和速度成反相关。下面将对三个

现象作出具体的解释。

解释现象一:其中提到一个意外的原因就是很有可能身边的空气将我们“推”向汽车而发生意外。为什么这么说?当车飞快的从我们身边开过的时候,对周围的空气造成了影响:使它们的速度加快,在这样的情况下,根据上面的推倒易知:速度过快造成周围空气的压强减小,在汽车周围形成一个压强差,在车周围的事物就容易被“压”到车下。这是相当危险的,所以步行要尽量的靠边走。

解释现象二:当两片薄纸靠近,我们将它们看成和外面的空气分开,当我们吹气时,使得两纸间少量的空气流速加大,压强减小,外围的空气使得纸片贴在一起。

解释现象三:同流量即体积相同,所以易知SV=S V。这就是理想流体的连续性方程。它表示理想流体作定常流动时,流体的速率与流管截面积的乘积是一个恒量。由此可知,当我们将口径边小时,必然导致流速加快。根据个原理在科技上也有很大的运用,比如切割水枪,对于一样的出水量,这种水枪的口径很微小,使得出水的速度极快,所含动能极大,

在生产上有很大的运用。

要介绍一个很实用的方法:取水。在家中,看到大人用一根管子插到水里,用嘴在管口吸气,水就会自己流出来,我也试过,但没有成功,现在我目标了原因:必须保证吸气的一端低于出水的一端,为什么呢?这是利用了大气压的原理。当吸气后管子里成为真空,水就被外界大气压压倒了出水端。

物理在我们的生活中有很大的作用,我们可以借着生活来学习物理,再利用物理来服务生活。

关于物理科技小论文

相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)创立,依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化,共同奠定了近代物理学的基础。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。

相对论(Relativity)的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无大质量物体扭曲时空改变物体行进方向关。狭义相对论(Special Relativity)和广义相对论(General Relativity)的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年,广义相对论提出于1915年(爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作,在1916年初正式发表相关论文)。

由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难,即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。

狭义相对论最著名的推论是质能公式,它说明了质量随能量的增加而增加。它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量,但它不是导致原子弹的诞生的原因。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞,与有些天文观测到的现象符合。

根据质能方程,人们很容易推出“光速是宇宙中最快速度”。因为,当物体达到光速时,其质量将变得无穷大,与事实不相符。然而,还有人提出,存在着两种宇宙,即“快宇宙”和“慢宇宙”。所有基本粒子在快宇宙中比光速快,即快子,他们所组成的物质也比光速快,反之亦然。有天文学家惊人观测到超光速现象,包括星系相离的速度、类星体膨胀的虚度等等。但是,至今没有一种说法令人信服,也没有一种说法推翻相对论。

绝对时空观

所谓时空观,即是有关时间和空间的物理性质的认识。伽利略变换是力学相对论原理的数学描述。它集中反映了经典力学的绝对时空观。

1.时间间隔与惯性系的选择无关

若有两事件先后发生,在两个不同的惯性系中的观测者测得的时间间隔相同。

2.空间间隔也与惯性系的选择无关

空间任意两点之间的距离与惯性系的选择无关。

我们可以看出,在经典力学中,物体的坐标和速度是相对的,同一地点也是相对的。但时间、长度和质量这三个物理量是绝对的,同时性也是绝对的。这就是经典力学的绝对时空观。

以太?

十九世纪中叶,麦克斯韦建立了电磁场理论,并预言了以光速C传播的电磁波的存在。在十九世纪末,实验完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么?它的传播速度C是对谁而言的呢?当时流行的看法是整个宇宙空间充满一种连续介质叫做“以太”,光线和射电讯号是在以太中的波动。完整理论需要的是仔细测量以太的弹性性质,为此,哈佛大学建立了杰弗逊实验室,整个建筑不用任何铁钉,以免干扰磁测量,然而因策划者忽视了褐红色砖头中所含大量铁,预计实验无法如期进行。到世纪之末,开始出现了和穿透一切以太的观念的偏差,如果认为地球是在一个静止的以太中运动,那么根据速度叠加原理,在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样,但是实验否定了这个结论;如果认为以太被地球带着走,又明显与天文学上的一些观测结果不符。就此,人们发现,这是一个充满矛盾的理论。

迈克尔逊莫雷的实验示意图1887年阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷利用光的干涉现象进行了非常精确的测量,仍没有发现地球有相对于以太的任何运动。对此,洛仑兹(H.A.Lorentz)提出了一个假设,认为一切在以太中运动的物体都要沿运动方向收缩。由此他证明了,即使地球相对以太有运动,迈克尔逊也不可能发现它。爱因斯坦从完全不同的思路研究了这一问题。他指出,只要摒弃牛顿所确立的绝对时间的概念,一切困难都可以解决,根本不需要什么以太。

★注释:以太:由希腊学者提出,认为是光传播的介质。

固定以太理论:如果光是在一种称为以太的弹性物质中的波,则在向它运动来的航天飞船上的某人(a)看来光速变得较高,而在与光同方向运动的航天飞船上的某人(b)看来光速变得较低。

两个基本假设

1.物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式。

2.在所有的惯性系中,光在真空中的传播速率具有相同的值C。

第一个叫做相对性原理。它是说:如果坐标系K'相对于坐标系K作匀速运动而没有转动,则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验,都不可能区分哪个是坐标系K,哪个是坐标系K′。

第二个原理叫光速不变原理,它是说光(在真空中)的速度c是恒定的,它不依赖于发光物体的运动速度。

从表面上看,光速不变似乎与相对性原理冲突。因为按照经典力学速度的合成法则,对于K′和K这两个做相对匀速运动的坐标系,光速应该不一样。爱因斯坦认为,要承认这两个假设没有抵触,就必须重新分析时间与空间的物理概念。

不过,可以证明迈克耳孙-莫雷实验是错误的,道理非常简单,实验精度远远不够。假设实验光波的波长为600纳米(1纳米等于10的负9次方米),要获得90度的干涉相差,两列干涉波在时间上需要获得150纳米的行程差,问题是,150纳米是非常小非常小,环境背景噪声引起的仪器振动远超过150纳米,实验设备的精度远远不够,不可能得到正确结果。

洛伦兹变换

经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设:

1.两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系。

2.两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。

爱因斯坦发现,如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的,那么这两条假设都必须摒弃。这时,对一个钟是同时发生的事件,对另一个钟不一定是同时的,同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中,测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等,距离也有了相对性。

如果设K坐标系中一个事件可以用三个空间坐标x、y、z和一个时间坐标t来确定,而K′坐标系中同一个事件由x′、y′、z′和t′来确定,则爱因斯坦发现,x′、y′、z′和t′可以通过一组方程由x、y、z和t求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c是方程的唯一参数。这个方程最早是由洛仑兹得到的,所以称为洛仑兹变换。

利用洛仑兹变换很容易证明,钟会因为运动而变慢,尺在运动时要比静止时短,速度的相加满足一个新的法则。相对性原理也被表达为一个明确的数学条件,即在洛仑兹变换下,空时变量x'、y'、z'、t'将代替空时变量x、y、z、t,而任何自然定律的表达式仍取与原来完全相同的形式。人们称之为普遍的自然定律对于洛仑兹变换是协变的。这一点在探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。

时间与空间的联系

在经典物理学中,时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的,每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z,它们构成一个四维的刚性连续时空,通常称为明可夫基里平直时空。在相对论中,用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦以前,物理学家一直认为质量和能量是截然不同的,它们是分别守恒的量。爱因斯坦发现,在相对论中质量与能量密不可分,两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个著名的质量-能量公式:E=MC^2,其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明,微小的质量蕴涵着巨大的能量。在后来的核反应试验中证明了这一点。

对爱因斯坦引入的这些全新的概念,大部分物理学家,其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹,都觉得难以接受。旧的思想方法的障碍,使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉,就连瑞典皇家科学院,1922年把诺贝尔奖金授予爱因斯坦时,也只是说“由于他对理论物理学的贡献,更由于他发现了支配光电效应的定律。”对于相对论只字未提。

建立广义相对论

爱因斯坦于1915年进一步建立起了广义相对论。狭义相对性原理还仅限于两个相对做匀速运动的坐标系,而在广义相对论性原理中匀速运动这个限制被取消了。他引入了一个等效原理,认为不可能区分引力效应和非匀速运动,即任何加速和引力是等效的。他进而分析了光线在靠近一个行星附近穿过时会受到引力而弯折的现象,认为引力的概念本身完全不必要。可以认为行星的质量使它附近的空间变成弯曲,光线走的是最短程线。基于这些讨论,爱因斯坦导出了一组方程,它们可以确定由物质的存在而产生的弯曲空间几何。利用这个方程,爱因斯坦计算了水星近日点的位移量,与实验观测值完全一致,解决了一个长期解释不了的困难问题,这使爱因斯坦激动不已。他在写给埃伦菲斯特的信中这样写道:“方程给出了近日点的正确数值,你可以想象我有多高兴!有好几天,我高兴得不知怎样才好。”

实验验证

1915年11月25日,爱因斯坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院,完整地论述了广义相对论。在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜,而且还预言:星光经过太阳会发生偏折,偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍——只有在日全食期间观测。爱因斯坦筹备经费,天文学家弗罗因德利希去克里米亚进行观测,不巧,德国对俄国宣战,弗罗因德利希被怀疑是间谍,扣押至8月底,那是他和他的小组与德国扣押的俄国高级军官做了交换。[1]

当年爱丁顿测量的日食相关资料(3张)1919年5月25日的日全食给人们提供了一次观测机会。英国人爱丁顿奔赴非洲西海岸的普林西比岛,进行了这一观测。11月6日,汤姆逊在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上郑重宣布:得到证实的是爱因斯坦而不是牛顿所预言的结果。他称赞道“这是人类思想史上最伟大的成就之一。爱因斯坦发现的不是一个小岛,而是整整一个科学思想的新大陆。”泰晤士报以“科学上的革命”为题对这一重大新闻做了报道。消息传遍全世界,爱因斯坦成了举世瞩目的名人。广义相对论也被提高到神话般受人敬仰的宝座。

从那时以来,人们对广义相对论的实验检验表现出越来越浓厚的兴趣。但由于太阳系内部引力场非常弱,引力效应本身就非常小,广义相对论的理论结果与牛顿引力理论的偏离很小,观测非常困难。七十年代以来,由于射电天文学的进展,观测的距离远远突破了太阳系,观测的精度随之大大提高。特别是1974年9月由麻省理工学院的泰勒和他的学生赫尔斯,用305米口径的大型射电望远镜进行观测时,发现了脉冲双星,它是一个中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行,周期只有0.323天,它的表面的引力比太阳表面强十万倍,是地球上甚至太阳系内不可能获得的检验引力理论的实验室。经过长达十余年的观测,他们得到了与广义相对论的预言符合得非常好的结果。由于这一重大贡献,泰勒和赫尔斯获得了1993年诺贝尔物理奖。

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