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现代物理学已经非常高深了，对于大多人来说，听到那些高大上的物理学名词都完全不知所云。但即使物理学发展到如此程度，我们身边不少小问题在物理学上仍然没有令人满意的答案。例如“沙雕是怎么立起来的？”，这种看上去有些“沙雕”的问题，实际上却是物理学家150年来都未能解决的难题。近日，曾以看上去有些“沙雕”的方式获得诺贝尔奖的物理学家，在《自然》杂志上发表了一篇论文，以看上去不那么“沙雕”的方式，终于回答了这个“沙雕”问题。
编译| 王昱
审校 | 吴非
在沙滩上建造沙雕，想想就让人感到欢乐享受。不过，对于沙雕能立起来的科学原理，物理学家始终无法明晰。建造沙雕时，需要将沙和水混合，一般认为8桶沙子：1桶水的比例，是建造沙雕比较合适的比例。对于原本松散的颗粒状沙子，一点也不粘稠的水在其中却能扮演胶水的角色，将沙子牢牢固定，能让你做出或精美、或欢乐的沙雕。
毛细冷凝
2008年，科学家们就着手深入研究为什么沙子在潮湿的时候会一改其松散的特性，粘成一块。他们使用X射线显微镜，拍摄湿玻璃珠的3D图像。当他们在干燥的玻璃珠中加入液体时，他们观察到珠子之间形成液体“毛细桥”，将珠子结合起来。水越多，液体桥越大，进一步增强了结合效果。随着液体桥进一步增大，结合的力也相应减小。研究结论是，在一定含水量范围内，将珠子结合起来的力和含水量无关。
液体桥的形成类似于球形的肥皂泡，是表面张力导致体系能量最小化的结果。阿姆斯特丹大学的物理学家尼尔·波恩（Daniel Bonn）说：“（与肥皂泡）类似，在两个沙粒之间，少量的水形成一个小液体桥，最大限度地减少了水和空气接触的表面积。如果将一粒沙移动到另一粒沙上，新的液体表面会自动形成，这会消耗能量，从而产生抵抗形变的阻力。”
这种颗粒材料因含水而对形变产生阻力的现象，可以用一个物理名词——毛细冷凝（capillary condensation）——来描述。毛细冷凝是空气中的水蒸气自发凝结于多孔材料内部，或与空气接触面上的物理现象。其中有一种桥接效应（bridging effects），可以解释松散的颗粒状沙子是如何被顺滑的水加固的。而对于毛细冷凝现象，其实在1871年，威廉·汤姆森（即后来的热力学之父，开尔文勋爵）就在其一篇论文中提出了“开尔文方程”用以描述。
液体桥，类似的效应让松散的沙子湿水后紧密结合
虽然分子的概念在1811年就由阿伏伽德罗提出，但直到让·巴蒂斯特·佩兰（Jean Baptiste Perrin）受爱因斯坦1905年关于布朗运动的论文启发，证明分子的真实存在后，关于分子大小的计算才算正式进入物理学的范畴。自然，虽然现代实验表明1871年提出的开尔文方程在10纳米量级及以上的“宏观”尺度都适用，但水分子的直径也仅有约0.3纳米，对于1纳米量级，水膜只有几个分子厚，显然不能直接用毫米量级下得到的开尔文方程来描述。而实际上，生活中很多现象都要求毛细结构尺度小到1纳米量级。空气的典型湿度在30%到50%之间，想让空气中的水产生毛细冷凝现象，毛细结构就需要小到1纳米量级。
毛细冷凝是一种非常重要的物理现象，在我们的生活中无处不在。物体的摩擦、粘附、润滑和腐蚀等重要特性都受到其严重影响。这种现象在微电子、制药、食品和其他工业中使用的工艺中都占有重要的地位。甚至——当然，也决定了如何建造沙雕。如此重要的现象却在常见湿度下，150年来得不到完整的解释，是因为纳米级别的实验难度十足。
纳米专家
而诺贝尔奖得主安德烈·海姆（Andre Geim）接过了这个挑战。他和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）曾用胶带粘在一片石墨的两端，然后撕开。他们不断重复这个过程，最终制得了石墨烯，并由此获得了2010年诺贝尔物理学奖。曾经用看上去有些“沙雕”的方式获得诺贝尔奖的人，如今真的研究起了沙雕问题。
安德烈·海姆 图片来源：Wikipedia
虽然看上去很“沙雕”，但研究微观尺度下的毛细冷凝效应，的确是曼彻斯特介观科学与纳米科技研究中心（Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology）的本职工作，而作为研究中心主任的海姆带领团队设计了巧妙的实验。
海姆团队精心构建分子尺度的毛细管，将云母和石墨的原子级薄片晶体叠放起来，每层之间用窄条石墨烯隔开。用这种方法，团队制造了不同高度的毛细管，包括只有一个原子高的毛细管——刚好足以容纳一层水分子，这是可能的最小结构。
实验装置示意图 图片来源：Nature 588, 250–253
实验结果显示，在分子尺度上，开尔文方程仍然是毛细冷凝现象极佳的定性描述。这和预期相矛盾，因为水的特性预计会在1纳米的尺度上变得更加离散。在这种情况下，毛细管产生了微观变化，从而抑制了可能导致方程式崩溃的任何其他影响。
自然的巧合
论文合著者杨前（Qian Yang）表示：“这让人大吃一惊。我原本期待传统物理学会彻底崩溃，但以前的方程仍然适用。我有些失望，但也对解开科学上的百年之谜感到兴奋。无数的凝结效果和相关特性都得到了有力的证据支持，而不是凭直觉——‘寻思着能行，就用原来的公式进行计算’。”
曼彻斯特的研究人员认为，虽然发现开尔文方程仍然定性有效，但这完全是偶然的。在环境湿度下，毛细冷凝涉及的压力超过1000巴（1巴=100000帕），比海底最深处的压力还要高。这样的压力导致毛细管产生几分之一埃（1埃=0.1纳米）的形变，足以在其中紧密容纳数个分子层。这种微观调整抑制了相约性效应（commensurability effects），导致开尔文方程仍然定性成立。
海姆表示：“好的理论往往超出其适用范围，开尔文勋爵是一位伟大的科学家，不过即使是他，也会对他的理论在原子级尺度仍然适用感到惊讶——这理论最初考虑的是毫米尺度的管子。实际上，在开尔文开创性的论文中，他认为在这个尺度他的理论不再适用。所以，我们的工作同时证明了他既是对的，又是错的。”
参考文献
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1
https://arstechnica.com/science/2020/12/physicists-solve-150-year-old-mystery-of-equation-governing-sandcastle-physics/
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/uom-sos120720.php
来源： 中科院高能所
来自五十二世纪，时空穿越奠基人，完善希格斯模型。被誉为未来的爱因斯坦。未来地球上的人类与机器人大战
相对论相对论原理[5relEtivizEm]相对论[7relE5tiviti]相关相对论和引力时间和空间的基本理论，主要由爱因斯坦（爱因斯坦）的理论成立，到狭义相对论（特殊相对论）和广义相对论相对论（广义相对论）。相对论的基本假设是恒久不变的原则，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是两个基本的现代物理学的支柱。奠定了经典物理学，经典力学的基础，没有高速运动条件下的适用对象和微观物体。相对论解决了高速运动的问题;量子力学来解决微观亚原子条件下的问题。相对论极大地改变了人类自然的宇宙中，“常识”的理念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”，“弯曲空间”等全新的概念。
[建议]过程相对
除了量子理论，只是为了让在1905年博士学位爱因斯坦发表了题为“关于运动物体的电动力学”的论文引发的文章二十世纪物理学的又一次革命。研究是关于运动物体的光学现象制品的影响，这是面临由经典物理学的另一个问题。
十九世纪中叶，建立了麦克斯韦电磁理论，并预言光速c电磁波的传播速度的存在。到了十九世纪，实验充分证实了麦克斯韦的理论。什么电磁波？它的传播速度C是在是谁而言？当时流行的观点是，整个宇宙充满了所谓的“以太”的特殊物质，电磁波的振动传播的乙醚。然而，人们发现，这是一个理论充满了矛盾。如果你觉得地球是运动中的固定醚，然后根据叠加原理的速度，光的传播在地球的速度肯定不是在不同的方向相同，但实验否定了这一结论。如果您认为以太网是与地面行走，但对天文学的一些看法不一致。
1887年迈克尔逊和莫雷br利用光的干涉现象非常精确的测量，仍然没有发现地球的醚任何相对运动。在这方面，洛伦兹（HALorentz）提出，在乙醚所有移动物体应收缩在运动方向上的假说。因此，他证明了即使是地球相对于以太的运动，迈克尔逊找不到它。从一个完全不同的想法爱因斯坦研究的问题。他指出，只要牛顿建立的概念，摒弃绝对空间和绝对时间，一切困难都可以解决，不需要任何以太网。
爱因斯坦提出两个基本原则作为运动物体光学现象的讨论的基础。第一个被称为相对性原理。这是说：如果坐标系K相对于坐标系K中匀速运动而不旋转，任何物理实验的相位两个坐标系统所做的那样，不能区分哪个是坐标系K，这是坐标系统K。第二原理称为恒定原理，它是说，光（在真空中）的速度c是常数，它不依赖于发光物体的速度。
从表面上看，似乎与相对性原理光线冲突不断的速度。因为，根据经典力学合成速率为K和K的法律执行这两个坐标相对匀速运动时，光的速度不应该是相同的。爱因斯坦认为，要承认这两个原则并不冲突，它们必须重新分析了时间和空间的物理概念。
经典力学，合成法的实际速率取决于以下两个假设：
1，国家不要紧;
两点之间的运动和空间距离的测量距离的
2脚状态是没有被使用。
爱因斯坦发现，如果承认恒定原理与相对性原理相兼容，那么这两个假设都被抛弃。此时，同时有可能发生时钟事件，其它的时钟不一定是同时的，同时具有相对。两个坐标的相对运动，所获得的测量值的两个特定点之间的距离不再是相等的。同的相对距离。
假设为K的情况下的坐标可以是三个空间坐标x，y，z坐标，并且在时间t被确定，并且K相同的坐标系统中的事件X，Y和z和t被确定，爱因斯坦发现，X，Y，Z和t可以是一组方程，在x，y和z的和叔寻找。两个坐标系的相对速度和光速c的速度是唯一的参数方程。首先由洛伦兹获得这个方程，所谓的洛伦兹变换。
容易使用洛伦兹变换，因为动作迟缓的钟声，当脚是不是一个静止的短期运动，增加速度，以满足新规则证明。相对性原理也表示为一个明确的数学条件，根据洛伦兹变换，时空变量引X，Y时，ZT将取代空间变量X，Y，Z，T和的任意表达式自然法则仍然采取同样的形式与原始。对洛伦兹变换称为通用自然法是协变的。它在我们的普遍自然法方面的探索非常重要的作用。
同时，在经典物理学中，时间是绝对的。它担任的三个空间坐标独立的角色不同。时间和空间爱因斯坦的理论联系起来。考虑到世界的物理现实是由个别的事件，每个事件由四个数字来描述。号码4是其空间和时间坐标吨和X，Y，Z，它们形成一连续的四维空间，通常称为四维闵可夫斯基空间。在相对论中，用四维方式来考察现实世界中的物理是很自然的。另一个重要的结果是由于对质量和能量之间的关系的特殊相关性。爱因斯坦之前，物理学家一直认为质量和能量是不同的，他们是保守的分别。爱因斯坦发现相对论质量和能量是不可分割的两个守恒定律结合成法律。他给出了一个著名的质量 - 能量公式：E = MC ^ 2，其中c是光速。因此它可以被看作是能量的质量度量。计算表明，微小的质量蕴涵着巨大的能量。这个奇妙的公式为人类获取巨大的能量，制造原子弹，氢弹和利用核能等奠定了理论基础。这些新
爱因斯坦介绍，大部分物理学家，其中包括相对论的洛伦兹变换的创始人都觉得难以接受。思维障碍的老路，所以这个新的物理理论直到一代大多数物理学家以前后所熟悉，以及科学，甚至瑞典皇家科学院，1922年，当诺贝尔文学奖颁发给爱因斯坦，只是说，“因为他理论物理学的贡献，也因为他发现了光电效应的定律。“对于相对论提。
1915
爱因斯坦进一步建立相关的一般理论。狭义相对性原理也被限制为两个匀速直线运动的相对坐标做的，在广义相对论原理匀速运动这个限制被取消。他介绍了一个等效的原则，我们不能区分引力效应和非匀速运动，即非匀速运动和引力是等效的。他通过地球附近经过引力弯曲附近时将是引力的概念本身完全没有必要再分析光的现象。行星以便它可以被认为是接近空间为曲面，光行走的质量是最短线。根据这些讨论，爱因斯坦得出一组方程，弯曲空间，他们可以决定由几何形状产生的物质的存在。使用这个公式，爱因斯坦计算出水星近日点的位移量，与实验结果完全一致，解决了长期无法解释的难题，这让爱因斯坦兴奋。他写了一封信给Ellen菲斯特：“......方程给出了正确的价值近日点，你可以想像我是多么高兴我有好几天了，我不知道我们是多么幸福去！”
1915年11月25日，爱因斯坦提交的题为br“重力式”的论文给了普鲁士科学院在柏林，广义相对论的全面的阐述。在这篇文章中，他解释了天文观测不仅在水星近日点运动的轨道中，但也预言之谜：会发生的星光被太阳偏转，偏转角相当于两倍牛顿的理论预测值。第一次世界大战推迟该值的确定。日全食1919年5月25日给人们提供了第一次世界大战后观察的第一次机会。英国爱丁顿去普林西比岛的西海岸，非洲，进行了这项观察。 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郑重声明：待确认的是结果，而不是牛顿爱因斯坦预言。他称赞“这是人类的思想，爱因斯坦史上最伟大的成就之一是发现不是一个岛，而是一个全新的世界的科学思想。”在这个标题为“科学革命”时期取得了重大的新闻报道。世界各地的消息传开后，爱因斯坦成为世界知名的名人。广义相对论也被提高到敬仰的神话主题的宝座。
从此，人们尝试测试广义相对论的性能不断增长的兴趣。不过，由于太阳系内部是非常弱引力场，引力效应本身是很小的，从广义相对论和牛顿引力理论，观测非常困难的理论结果的偏差很小。自20世纪70年代，由于从远突破了太阳系中的射电天文观测的进展，随着观测大大提高了精度。尤其是当1974年9月由泰勒麻省理工学院和他的学生惠斯勒，用大射电望远镜305米直径进行观察，发现双脉冲星，这是根据它的伴星的引力和中子星轨道对方，周期仅为0.323天，十万倍，比太阳表面强其表面重力为地球上的实验室甚至不可能获得引力理论在太阳系。经过十余年的观察，他们在与广义相对论非常好的效果的预测行了。正因为如此显著贡献，泰勒和惠斯勒获得了1993年诺贝尔物理学奖。
[狭义相对论]
马赫和休谟对爱因斯坦伟大的哲学的影响。马赫认为时间和空间与物质的运动的一项措施。时间和空间的概念，是通过经验形成的。无论基于绝对时间和空间的体验无法把握的东西。更具体地，休谟说：空间和广延只不过是按一定的顺序被填充的空间分布的可见对象。而变化的时间可能会明显，但始终受制于变化可以在找到。 1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷的实验实际告诉“以太”的整个概念是多余的，光速是恒定的。 ？牛顿的绝对空间和时间的想法是错误的。有参考没有绝对静止的帧，与参考时间测量的不同而不同。他用恒定的光的速度和相对性原理提出了洛伦兹变换。创立狭义相对论。
狭义相对论
理论是建立在一个四维时空，所以要澄清相对论的内容，首先在时间和空间的相对性有一个大致的了解。在数学中有各种各样的多维空间，但到目前为止，我们只知道四维的物理世界，也就是三维空间加一维时间。现代高维空间微物理一提的是另一层意思，只有数学意义，在此不讨论。
四维时空是最小尺寸构成了真实的世界，我们的世界恰好是四维，作为高维实空间，至少现在我们无法感知。我说在三维空间（没有时间）转动，其长度同一个统治者的一个例子的职位，但将其旋转时，它的所有坐标？改变价值观，并有坐标间的联系。四维时空的意义就是第四维是时间坐标，它与空间坐标，空间和时间是统一的，不可分割的整体联系在一起，他们是一个“折中”的关系。
四维时空不限于，由质量和能量的关系已知的，实际的质量和能量是一回事，质量（或能量）不是独立的，而是与状态运动相关的，如大的速度，更大的质量。在四维时空中，质量（或能量）实际上是第四维的四维动力组件，动力是描述物质运动的量，所以质量是有关议案授予的状态。在四维时空，动量和能量实现了统一，称为能量动量4载体。另外在四维时空也被定义四维速度，四维加速度，四维力，四维的形式，如电磁场方程。值得一提的是，四维电磁场方程形成了较为完善的，完整的电场和磁场，电场和磁场的具有均匀电磁场张量来描述统一。四维时空物理学完美的立体法律，法律这说明我们的世界的确是四维。至少可以说是完美的不是牛顿力学。至少由它的完美，我们不能怀疑不当。
相对论，时间和空间
理论构成了一个不可分割的整体 - 四维时空，能量和动量也构成了一个不可分割的整体 - 四维动量。这表明有可能是看似无关的一定量的自然之间的深刻联系。广义相对论的交易在未来的时候我们会看到，也有时间和空间，能量 - 动量四矢量之间的深刻联系。
的在互动，这种物质没有运动，没有运动，没有实质内容的永动机狭义相对论
问题的基本原则，因为该物质是在相互接触，运动的相互作用，因此，必须说明的材料的运动之间的关系，但不能描述分离的运动。也就是，必须有基准物体的移动，参考对象是一个参考。
伽利略指出，在船上体育运动船舶，但仍无法区分，比如，当你在一个封闭的小屋，和外界完全隔离的，即使你拥有最先进的印象中，最先进的设备，也没有知觉你的船是匀速运动或静止的。更不可能察觉到的速度的大小，因为没有参考。例如，我们不知道我们的整个宇宙运动的整体状态，因为宇宙是封闭的。爱因斯坦引称为狭义相对论的理论是第一个基本原则：狭义相对论的原则。其内容是：惯性系之间完全等价，没有什么区别。
·著名的迈克尔逊 - 莫雷实验彻底否定光的以太理论，得出光与参考系无关的结论。换句话说，无论你站在地面上，或站在飞驰的火车，光的测量速度是一样的。这是狭义相对论的第二个基本原则：坚定不移的原则。
由相对论这两个基本原则可以直接推导出坐标变换式，速度变换式等所有相关内容的特殊的理论。如速度的变化，矛盾与传统的规则，但被证明是正确的，比如10米/秒的列车速度，一个人相对于车速的车是10米/秒，地面上的人看车速度不是人20米/秒，但（20-10 ^（ - 15））米/秒左右。在正常情况下，这种相对论效应可以忽略不计，但接近光速时，这种效应是显著增加，例如，列车速度是光的0.99倍的速度，人的速度是光的0.99倍的速度，然后得出的结论是不接地观测光的1.98倍的速度，但光的0.999949倍的速度。在车上的人射去光看背面并没有慢下来的他，也光速。因此，在这个意义上说，是不超过光的速度，因为在参考系统而言，光的速度是恒定的。极速转换已经被证明了无数的实验粒子物理学，是无可挑剔的。由于光的独特性，因此被选为四维时空的唯一标尺。
狭义相对论效应，惯性系统是完全等价的，因此，在同一个惯性系，有时间的统一，所谓的同时，尽管相对论证明在不同的惯性系，但没有统一的同时性，是两个事件（时间和空间）在一个惯性同时，在另一个惯性系统可以同时并非如此，这是相对性的同时，在在惯性坐标系中，相同的物理过程的时间过程是完全相同的，如果在相同的物理过程来测量时间，可以在整个惯性参照系得到均匀的时间。在广义相对论可以知道未来，非惯性参照系和空间是不均匀的，即，在相同的非惯性参照系，没有统一的时间，因此不能建立统一的同时性。 相关时间表派生的关系，发现时间安排惯性运动是缓慢的，这就是所谓的时间膨胀效应。可以理解为一种流行的运动铃比更慢的休息，并且更快的移动，接近光速时，时钟走慢，钟几乎停止。
标尺
长度在惯性坐标系与QUOT;而与QUOT;的坐标值之间的差值Δθ由两个端点获得。由于与QUOT;而与QUOT;相对论，惯性测量不同长度是不同的。相对论证明，在移动标尺尺子尺子比其余部分，这是所谓的长度收缩效应，当速度接近光速，尺子缩成一个点更短的长度方向上。
从上面的声明显示，长度收缩和时间膨胀的原理是时间表具有相对的。换句话说，时间安排和相关的参考系统。这否定牛顿的绝对时间和空间自由基相对论图，绝对时间并不存在，但是时间仍然是一个目标量。例如，下期将要讨论的双胞胎理想实验中，哥哥把飞船回来后，一个15岁的弟弟也已经45岁，这说明时间是相对的，但我的哥哥是真的活了15多年来，他的弟弟确实觉得他们生活45年来，这是没有任何关系的参照系，时间及QUOT;绝对与QUOT;这表明，无论对象的运动，这本身经历的时间量的状态是客观的，绝对的，这就是所谓的时候所固有的。换句话说，不管是什么形式，你锻炼，你觉得正常的咖啡，你喝的速度，你的生活规律都没有被打乱，但其他人可能会看到你的杯子放下来了喝咖啡的百年结束只花了一秒钟。
时钟佯谬或双生子佯谬
相对论诞生后，出现了一个非常有趣的难题---双生子佯谬。一对双胞胎A和B，A的地球上，B坐火箭做星际旅行，经过漫长的岁月返回地球。爱因斯坦的理论被不同的人声称经过的时间，当超过一个年轻的团圆乙。很多人怀疑，一看运动B，B看到A也运动，为什么不能是一个年轻的比乙？由于地球可近似为惯性，B要经过加减速，加速度参照系的过程改变时，真正的讨论是很复杂的，因此这显然爱因斯坦被许多人所讨论的问题误认为理论相对论是自相矛盾。如果时空图的概念，并讨论在这个问题上的世界线是简单多了，只用了大量的数学和公式。在这仅仅用语言来形容最简单的例子之一。但语言不仅可以更详细描述的细节，请参阅一些兴趣相关的书籍。我们的结论是，无论参考帧，B比A更年轻。
为了简化问题，只讨论这种情况，经过很短的时间内，火箭加速光亚洲的速度，周围飞行一段时间后，用很短的转身后，与飞行一次，有一个很短的减速与地球相遇。这种治疗的目的，省略和所造成的冲击减速的加速度。在地球参考系统以及所讨论的，火箭总是朝着时钟，当团聚乙比A.在火箭参考帧年轻化，大地钟声，慢时间当然比火箭期间移动以恒定的速度，但最关键的是，火箭又将过程。反过来地球时，从远处火箭落后之后的时间跨越半周很短的时间，在火箭面前，达到很远的地方。这是一个与QUOT;超光速＆QUOT;流程。但是，这并不违背相对论与超光速这与QUOT的理论;超光速＆QUOT;不发送任何信息，而不是一个真正意义上的超光速。如果你不把这个过程中，火箭和地球无法满足，由于不同的参考系没有统一的时间，所以无法比较他们的年龄，只有当他们遇到可以比拟的。火箭转弯后，A和B不能直接接收的信息，因为该信息传送需要一定的时间。 b见是实际过程反过来的过程中，安排了地球突然加速。看来B，AB年龄小于第一，其次是快速老龄化之交，返回时，比他们的衰老速度慢了。当重逢，他依然不满。换句话说，相对论的逻辑矛盾的理论不存在。
相对论狭义相对论的理论总结，需要物理定律仍然坐标变换（洛伦兹变化）下保持不变。经典电磁理论可以合并不加修饰和相对论的框架，但只有在牛顿力学在同样的情况在伽利略变换，以简洁的形式洛伦兹变换已经变得极为复杂。因此，经典力学和做出改变的机械系统的情况下，洛仑兹变换不变，称为相对论力学。
建立狭义相对论之后，物理学已经起到了推动显著作用。并深入到量子力学，研究高速粒子不可缺少理论的范围内，并取得了丰硕的成果。然而，成功的背后，有两个遗留下来的原则没有得到解决的问题。第一种是由惯性的问题引起的。摒弃了绝对的时间和空间，惯性的概念变得无法确定。我们可以说，惯性惯性参照系的法律在其中建立。从外部物体惯性定律的实质仍持有或匀速直线运动。然而，与QUOT;不受外界和QUOT;？这指的是一个对象，而无需外部可以休息或在惯性系匀速运动是什么，只意思。因此，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是没有用的。我们总能找到一个非常近似的惯性系统，但不会在宇宙中的惯性，整个理论为一般建筑在沙滩上真的存在。第二个困难是由重力引起的。重力和绝对的时间和空间是紧密联系在一起的法律，必须予以纠正，但任何试图它的洛伦兹变换为相同的情况下，都失败了，万有引力无法纳入狭义相对论的框架。物理学界发现的重力只有两种力量，电磁力，其中一个会出现麻烦，当然，情况并不理想。
爱因斯坦只有几个星期来建立狭义相对论的理论，但是，要解决这两个问题，并建立相关的一般理论，而是用整整十年。为了解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消在理论上惯性特殊地位，相对性原理推广到非惯性系。所以第一问题转化成问题的时空结构的非惯性坐标系。遇到非惯性系只拦路虎是第一惯性力。深入的惯性力，建议原则的研究，如著名的，找到参照系的问题和引力问题可能得到解决。几经周折，爱因斯坦终于成立了广义相对论的一个完整的理论。广义相对论让所有物理学家震惊引力复杂得多于预期。爱因斯坦场方程，迄今只在少数，以确定解决方案之一。这是一个美丽的数学形式有如此惊人的物理学家。它的相对性，而一般的理论取得了很大的成就，量子力学的哥本哈根学派的创立和发展做出了重大突破。然而，物理学家很快就发现，这两个理论是不兼容的，至少是有需要。让著名引发了争议：爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在，争论一直没有停止过，但越来越多的物理学家更倾向于量子理论。为了解决这个问题，爱因斯坦花了三十年以后的生活时间什么都没有。但他对物理学家的工作指明了方向：建立超含有四种力统一理论。公认的最有希望的候选人目前学术界是弦论和超膜理论。
[广义相对论]相对论
到来，人们看到的结论是：四维弯曲时空，有限无边的宇宙引力波，引力透镜，大砰的宇宙理论，以及二十一世纪的主旋律 - 黑洞，等等。这一切来的太突然，让人们觉得相对论神秘，所以第一年的相对论的问世，有人扬言：QUOT;只有十二个人理解相对论的全球和QUOT;甚至有人说：QUOT;在世界各地只有两个半人懂相对论与QUOT的理论;什么是相对论的更多的理论和＆QUOT;通灵术与QUOT，＆QUOT;灵性与QUOT;像相提并论。事实上，相对论并不神秘，它是最下的理论来地球，正经历一千次证明的真理，但并非高不可攀。
相对论的几何应用不是一般的欧几里得几何，而是黎曼几何。相信很多人都知道，非欧几何，它分为罗氏几何和两种赖几何。黎曼从更高的角度统一的三个几何，称为黎曼。在非欧几里得几何中，有很多奇怪的结论。三角形的角度，而不是180度，圆周率是不3.14，依此类推。所以刚刚推出，备受嘲笑，被认为是最无用的理论。直到它发现它在球面几何的应用受到重视。
如果没有物理空间，空时是平坦的，欧几里德几何是足够的。例如，狭义相对论理论的应用，是四维伪欧氏空间。加上一个伪字的时候前面的坐标，因为是虚数单位i。当空间的物质，物质和时空相互作用的存在，从而使弯曲的时空发生，有必要使用非欧几里德几何。
相对论预言的引力波的存在，发现了引力场和引力波的光的传播，拒绝重力作用的法律在一定距离的速度。当恒星发出的光，遇到大质量天体，光线会被重新聚集，也就是说，我们可以观察到的天体挡住恒星。在一般情况下，看到的环，被称为爱因斯坦环。
童年之谜 爱因斯坦摆弄罗盘时,想改变指针的方向,他先是什么,后来又什么,但结
一个天才的童年，总会有些超乎寻常的故事。爱因斯坦刚出生时，后脑大得不同一般，而且头骨呈棱角形，头骨的这种异状，后来永久性地成为爱因斯坦的特征。爱因斯坦的母亲
曾为头胎儿子的异样头骨而受惊，爱因斯坦的祖母看到孙子，也低声嘀咕：“太重了！太重
了！”她不是说孙子的体重，而是孙子大而怪的头形让她不安，一个弱小的身躯，如何支撑
得住这个硕大的脑袋？她们当然还不曾意识到：就是这个大而怪的头脑，将滋生出多么伟大
的意识。 当然，童年时代的爱因斯坦还不可能向世人解释自己个性的内涵。他独来独往，时常故
意躲开小伙伴、同学，即使同亲人在一起，他也只是一个沉默的听众。谁要是破坏了他独处
的心境，一向沉静的他会突然爆发出激烈的情绪。爱因斯坦的妹妹后来回忆说：“每逢那样
的时刻，他会变得脸色苍白，鼻尖发白，不能自制。”有几次，爱因斯坦竟向比自己小2岁
的妹妹扔东西，大发脾气。爱因斯坦5岁时，父母为他请了一个家庭女教师。第一次上课
时，爱因斯坦大概发现自己将失去自由的个人世界，又一次大发脾气，向老师扔椅子以示抗
议，爱因斯坦的父母只好结束这第一次还未开始的教育。不爱和人交往的小爱因斯坦偏喜爱
那些需要耐心和坚韧的游戏，比如用薄薄的纸片搭房子，不成功绝不罢休。
对于童年的爱因斯坦来说，独立的个性还只是一只“空筐”，它需要充实精神、文化的
内涵。第一个装进这只“空筐”的是什么？是音乐。爱因斯坦3岁的时候，一天，母亲波林
坐在钢琴旁，轻轻地抚弄琴键，优美动听的旋律像潺潺溪水，从她的手指下流出。忽然，她
觉得背后有人，她回头一看，小爱因斯坦正歪着脑袋，全神贯注地倾听美妙的乐声。年轻的
母亲高兴了，她说：“瞧你一本正经的，像个大教授！哎，亲爱的，怎么不说话呀？”爱因
斯坦没有回答，他只有3岁，还无法说清激起心灵感应的音乐到底是什么，他那对亮晶晶
的、棕色的大眼睛中却又分明闪烁着快乐的光辉。琴声又响了，是贝多芬的奏鸣曲。小爱因
斯坦迈着摇晃的步子，无声地扑向一个新的世界，那里只有美丽、和谐和崇高。
不爱说话的小爱因斯坦对音乐入迷了，6岁起练习拉小提琴。几年后，爱因斯坦唯一的
消遣就是音乐，在母亲的伴同下，他很快就能演奏莫扎特和贝多芬的奏鸣曲了。
按爱因斯坦的心理气质而言，如果他出生在文艺复兴时期，历史或许把他造就成为一个
杰出的艺术家，但在19世纪末的德国，一种以科学发明去探索未知世界的热潮正在兴起。
各种科学发明以前所未有的声、光、电、化迅速改变着人们的感官世界，各种技术上的新鲜
玩意给新一代人带来无穷的趣味，并吸引着他们兴趣，激起他们的求知欲。
科学之光普照着大地，也照亮了小爱因斯坦成长的道路。爱因斯坦上学前的一天，他生
病了，本来沉静的孩子更像一只温顺的小猫，静静地蜷伏在家里，一动也不动。父亲拿来一
个小罗盘给儿子解闷。爱因斯坦的小手捧着罗盘，只见罗盘中间那根针在轻轻地抖动，指着
北边。他把盘子转过去，那根针并不听他的话，照旧指向北边。爱因斯坦又把罗盘捧在胸
前，扭转身子，再猛扭过去，可那根针又回来了，还是指向北边。不管他怎样转动身子，那
根细细的红色磁针就是顽强地指着北边。小爱因斯坦忘掉了身上的病痛，只剩下一脸的惊讶
和困惑：是什么东西使它总是指向北边呢？这根针的四周什么也没有，是什么力量推着它指
向北边呢？
爱因斯坦67岁时仍然为童年时的“罗盘经历”感慨万千。
他在《自述》中说：
“当我还是一个四、五岁的小孩，在父亲给我看一个罗盘的时候，就经历过这种惊奇。
这只指南针以如此确定的方式行动，根本不符合那些在无意识的概念世界中能找到位置的事
物的本性的（同直接‘接触’有关的作用）。我现在还记得，至少相信我还记得，这种经验
给我一个深刻而持久的印象。我想一定有什么东西深深地隐藏在事情后面。凡是人从小就看
到的事情，不会引起这种反应；他对于物体下落，对于风和雨，对于月亮或者对于月亮会不
会掉下来，对于生物和非生物之间的区别等都不感到惊奇。”
显然，人们经验认为“空虚”的空间存在一种什么东西，一种什么力量，迫使着物体朝
特定的方向运动。这件偶然小事虽微乎其微，并发生在爱因斯坦成为科学家之前很久的时间
里，但这次奇特的经历却对他后来的科学思考与研究极为重要。后来，“场”的特性和空间
问题是那样强劲地吸引着这位物理学家。在广义相对论中，爱因斯坦终于天才地解决了这些
儿童时代就萌发出来的困惑。不过在当时，它们还只是以朴质的本来面貌显现在他的眼前。
小小的罗盘，里面那根按照一定规律行动的磁针，唤起了这位未来的科学巨匠的好奇心
——探索事物原委的好奇心。而这种神圣的好奇心，正是萌生科学的幼苗。
爱因斯坦小时候看见爸爸，手上戴着一块手表，手表旁边还有圆形的小东西，里面还有指针。爱因斯坦很好奇，问爸爸"这是什么呀？"爸爸说“这叫金罗盘（就是我们所说的指南针）”“爸爸，为什么它的红色指针总是指向同一个方向啊？”“这是由于磁力的作用”。“什么是磁力啊？”这个。。。。，这时妈妈说，“好啦好啦，赶快走吧，要不然上班要迟到了！”什么是磁力呢，爸爸为什么不告诉我啊！到了晚上，睡觉的时候，爱因斯坦睡不着，还在想着金罗盘。这时，爸爸推门进来，“你这个小家伙，问题不弄明白，睡不着了”？爱因斯坦问“爸爸，你为什么不告诉我什么是磁力啊？”“因为爸爸也不知道啊”“大人也有不知道的问题呀”“当然了，这样吧，如果你喜欢这个金罗盘，爸爸就把它送给你，希望你自己能找到答案，好吗”“太好了”。成长中的爱因斯坦爱钻研问题，爱好物理，为以后提出“相对论”奠定了基础。
20世纪上最伟大的物理学家。在物理学的许多领域都有贡献，比如研究毛细现象、阐明布朗运动、建立狭义相对论并推广为广义相对论、提出光的量子概念，并以量子理论完满地解释光电效应、辐射过程、固体比热，发展了量子统计。并于1921年获诺贝尔物理学奖。
阿尔伯特爱因斯坦刚生下来时，脑袋特别大，与他身体的比例很不协调；尤其是后脑勺，不但大，而且有棱有角。要是一般的父母一定会担心孩子是不是畸形儿，然而阿尔伯特的父亲赫尔曼爱因斯坦却说：“那可能是因为他那颗脑袋里装的智慧太多了!”一句话，饱含了他对孩子的期望。
转眼，爱因斯坦2岁了，但却不能像大多数孩子那样开始咿呀学语，而且孤僻缄默得让人生疑，人们再联想起那颗不甚正常的头型，他们简直不敢再想下去了：“这孩子会不会是个哑巴或者痴呆?”
等小爱因斯坦快3岁时还不会说话。他的母亲波琳就对丈夫说：“亲爱的，你不是说咱们儿子大脑袋里装满了智慧吗?可是他都这么大了还不会说话，那脑袋里究竟装了些什么呢!”
但是，父亲对自己这个大脑袋儿子仍然抱有信心，他说：“你别看他说活晚，等到他会说的时候，一定说起来就没完!”
这个时候，爱因斯坦虽然不会说话，但耳朵对音乐却极为敏感。
有一次，母亲在自家的花园里弹钢琴，当她正弹得起劲的时候，突然发觉后面有响动，她回过头去，发现小爱因斯坦正歪着大脑袋，聚精会神地听她弹奏，而且看那样子，分明是已经听得入迷了。她微笑着拍拍爱因斯坦的头：“我可爱的宝贝，看你入神的样子，难道你听懂了吗?”
接下来，每当母亲坐在钢琴前演奏贝多芬等一些著名作曲家的作品时，他都会悄悄地坐在母亲的旁边静静地倾听。小小年纪的他就懂得音乐不仅可以抒发内心的情感，还可以像画笔一样，描绘出蓝蓝的大海和柔和的月光，真是太美妙了。
母亲通过一次次地观察，认为“大头儿子”肯定有音乐的天赋，于是请来城里一位最优秀的小提琴手，做爱因斯坦的家庭音乐教师，专门教他演奏小提琴。爱因斯坦进步虽不是很快，但他非常地刻苦。渐渐地，他已经可以断断续续地演奏部分莫扎特作品的片断了。
小爱因斯坦不会说话，就进入了音乐的世界，究竟在这个世界他看到了什么，谁都不得而知，但有一点是肯定的，那就是他找到了自己所希望的东西。
可是，事情并没有像父亲所希望的那样发展。
小爱因斯坦快到4岁时才开口说话，也并不像父亲预料的那样“说起来就没完”。相反，整天沉默寡言。
小爱因斯坦终于开口说话了，这让波琳太太一颗悬着的心渐渐地放了下来。不过，这个沉默恬静的小孩还是有意识地回避与他年龄相仿的伙伴们，从来不跟别的孩子玩，经常一个人躲在安静的地方沉思。
母亲尽可能多地抽出时间来和小爱因斯坦交流。这样做的目的，是为了把他从封闭的世界中拉出来，促进其语言的发育。只要她的儿子能够把自己所想的事说出来，那么她就可以帮他了。
但是，等小爱因斯坦稍稍长大些后，性格也很古怪，他从来不跟同龄的孩子们玩。
爱因斯坦5岁时，父母为他请了一个家庭女教师。第一次上课时，爱因斯坦大概发现自己将失去自由的个人世界，又一次大发脾气，向老师扔椅子以示抗议。为此，爱因斯坦的父母只好马上结束这第一次还未开始的教育。
有一天，爱因斯坦夫妇外出归来，当他们一推开院门时，不禁大吃一惊：院子里有一座楼房的模型!那模型跟真楼房的样式几乎没有什么区别，简直是真楼房的浓缩!
等再仔细一看，原来这座微型楼房全是用小废木块搭的。
而且那些小木块互相咬合在一起，着力平均，好像一个懂几何学和力学的中学生搭的。
他们不相信这是小爱因斯坦的杰作。
父亲问小爱因斯坦：“儿子，刚才有谁来了?” ．
小爱因斯坦说：“谁也没来。我不希望有人打扰我!”
母亲指着楼房模型又问：“那么这幢小楼是谁搭的?”
小爱因斯坦头也不抬地说：“当然是我搭的了!”
母亲抱起小爱因斯坦就亲个没完。这件事让她更加确信小爱因斯坦不像自己表现得那样笨，而是一个聪明异常的孩子。
值得庆幸的是，爱因斯坦的“独特”之处并没有被父母视为一种异端而遭受歧视，因此才使爱因斯坦能够成长为一位伟大的物理学家成为可能。这一点，是值得很多中国的父母借鉴的。
在爱因斯坦的童年时，还有一件非常值得一提的事。
一天傍晚，下班回来的赫尔曼先生一踏进家门，就对着爱因斯坦的房间大声喊：“阿尔伯特，快来看看爸爸给你买什么礼物啦!”
正在专心练琴的爱因斯坦一听“礼物”两个字，便立即兴高采烈地从房间里跑了出来。
只见爸爸从他的包里取出一个纸盒，然后小心翼翼地慢慢打开它。
爱因斯坦好奇地接过来一看，里面装的是一个圆圆的、像大个儿怀表一样的东西。只是这个“大怀表”的四周除了均匀的刻度，还相对写了四个字母：N、S、E、W。它与怀表更大的不同之处还在于它只有一个指针，它正在不停地左右摇摆。
“这是什么呀?是不是一块手表啊?可是，上面似乎多了点东西。”爱因斯坦惊疑地问爸爸。
“听我给你讲啊，它不是表，表是用来计时的，而有了这个东西，你就可以知道方位了，它是用来确定方向的。”父亲耐心地做起了讲解员。
当爱因斯坦发现这个罗盘有如此神奇时，眼睛便开始发亮。现在，这罗盘奇妙的功能已使爱因斯坦爱不释手了。
他拿着罗盘不停地晃动，不管怎样摇动，磁针总是指向一个方向——北方。
“磁针为什么总是指向北方呢?”爱因斯坦望着神奇的罗盘，像是自言自语地说。
“这是因为我们所住的地球，有一种磁力，这种磁力将磁针引向北方了。”爸爸听了爱因斯坦的话后，耐心地解释道。
“这种磁力到底是在地球的什么地方呢?”
“可以说，整个地球到处都有。”
以后，一连几天，爱因斯坦常常双手捧着那个小小的罗盘发愣。他不断地尝试着把它翻转，或是缓缓地转动方向，可无论他怎么做，那个小指针始终指着北方。他知道，这是那个看不见、摸不着的地球磁场在起作用呢。他想和那个小指针一起感受这个地球磁场，指针依旧指着北方，而他自己却什么也没有感受到。
一天，爱因斯坦终于忍不住去问雅可布叔叔，因为雅可布叔叔不仅读过大学，而且还是一名工程师。
“雅可布叔叔，您能给我详细说说有关磁场的事吗?”他扬起小脸，眼睛里充满对知识的渴望。
“阿尔伯特，你才这么小，怎么就问起这个问题来了。”雅可布叔叔感到有点奇怪。
爱因斯坦小心翼翼地从怀里取出那只罗盘，然后问道：“我看不到磁场，也摸不着。那么它是怎样让罗盘的指针指向北方的呢?”
雅可布叔叔对爱因斯坦的问题也感到有点为难，因为他对地球的磁场问题了解得也不是很透彻，只好说：“这个问题我一时也不知道该怎样回答你，或者，不知道怎么说你才能明白。你现在还小，等你上了中学、大学，就能够明白了。说实话，很多问题大人也在研究。”
“那——磁场看不到也摸不着，我们人类又怎么知道并确定它存在呢?”爱因斯坦没有办法，只好退一步问。
“它是存在的。罗盘里的指针不就是很好的证明吗?其实，世界上很多东西都是我们用眼睛看不见、摸不着的，不过它们的确存在。如引力场，在地球上我们叫它重力场，它也和磁场一样是存在的。我们把一件东西扔到空中，它又落回到地面上，这就是因为重力场的作用。”
爱因斯坦还是听不太懂，但他潜意识中觉得叔叔说的对，所以认真地点了点头。
雅可布叔叔对爱因斯坦说：“世界上所有自然现象背后都遵循着一定的规律。这个世界就是由这些看不到却一定存在的规律统治着。虽然看不到，但我们却能够发现它，认识它。”
“它们和上帝一样，是吗?”
雅可布叔叔笑了，说：“有点像。不过它们是两码事。”
爱因斯坦心里盼着自己早日长大，那样，他就可以搞清楚一些事情背后的原因了。
爱因斯坦经常会陷入苦思冥想之中。雅可布叔叔非常高兴，他认为这种平凡而又神圣的好奇心，正是爱因斯坦成长必需的动力!
爱因斯坦在学校的时候总是心不在焉，总希望快点下课，好快点儿回到自己那个广阔的世界中去。
爱因斯坦的这种表现，当然不会得到老师的喜欢，所以在大多数老师的眼里，爱因斯坦并不是一个好学生，因为他既不守纪律，又整天显得心事重重，谁也搞不清楚他到底在想什么。
赫尔曼先生为了儿子上学的有关事宜跑到学校，负责接待赫尔曼的是学校的训导部主任。看着主任那张挂霜的脸，赫尔曼小心翼翼地问：“按我的儿子性格特点，将来应该从事什么样的职业?”
没想到教导主任竞毫不客气：“不用问了，你的儿子无论做什么，都将会一事无成。”说完，他轻蔑地望了爱因斯坦的父亲一眼，便低头开始忙自己的事了。父亲手足无措地站在那里，心里非常难受，他不知该说些什么，也不知该做些什么。
过了一会儿，那位主任又抬起头来，把爱因斯坦在学校的一切“不好”的表现一一向赫尔曼介绍，说所有的老师都嫌爱因斯坦性格孤僻，大脑迟钝，并指责他“不守纪律、心不在焉、想入非非”等等。
“偏见，这一切都是偏见造成的。我的儿子，阿尔伯特爱因斯坦是一个好孩子!”赫尔曼在心里恨恨地说。
后来，爱因斯坦因为沉醉于自学，被学校勒令退学。父亲依然坚持：“我的儿子，阿尔伯特爱因斯坦是一个好孩子!”
大家想一想，爱因斯坦4岁才开口说话，从小性格古怪，甚至有些木讷，上小学时成绩不好，中学时被勒令退学，在常人眼里，这是不是一个笨孩子?可是，爱因斯坦的父母用赏识的眼光发现了他超人的音乐天赋，发现了他可贵的探索精神，从此为他打开了通向广阔人生的大门。爱因斯坦成功了，但一切首先取决于他父母教育的成功。
阿尔伯特·爱因斯坦，世界十大杰出物理学家之一，现代物理学的开创者、集大成者和奠基人，同时也是一位著名的思想家和哲学家。爱因斯坦1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍。1905年获苏黎世大学哲学博士学位。曾在伯尔尼专利局任职，在苏黎世工业大学、布拉格德意志担任大学教授。1913年返德国，任柏林威廉皇帝物理研究所所长和柏林洪堡大学教授，并当选为普鲁士科学院院士。1933年因受纳粹政权迫害，迁居美国，任普林斯顿高级研究所教授，从事理论物理研究，1940年入美国国籍。
有一句熟悉的格言是：“任何事都是相对的。”但爱因斯坦的理论不是这一哲学式陈词滥调的重复，而更是一种精确的用数学表述的方法。此方法中，科学的度量是相对的。显而易见，对于时间和空间的主观感受依赖于观测者本身。
在爱因斯坦小的时候，有一天德皇军队通过慕尼黑的市街，好奇的人们都涌向窗前喝彩助兴，小孩子们则为士兵发亮的头盔和整齐的脚步而向往，但爱因斯坦却恐惧得躲了起来，他既瞧不起又害怕这些“打仗的妖怪”，并要求他的母亲把他带到自己永远也不会变成这种妖怪的国土去。中学时爱因斯坦放弃了德国国籍，可他并不申请加入意大利国籍，他要做一个不要任何依附的世界公民……大战过后，爱因斯坦试图在现实的基础上建立他的世界和平的梦想，并且在“敌国”里作了一连串“和平”演说。他的思想和行动，使他险遭杀身之祸：一个抱有帝国主义野心的俄国贵族女刺客把枪口偷偷对准了他；德国右翼刺客们的黑名单上也出现了阿尔伯特·爱因斯坦的名字；希特勒悬赏两万马克要他的人头。为了使自己与这个世界保持“和谐”，爱因斯坦不得不从意大利迁到荷兰，又从荷兰迁居美国，而且加入了美国国籍。他认为，在美国这个国度里，各阶级的人们都能在勉强过得去的友谊中生存下去。 （节选自《应用写作》学术月刊1985年第5-6期《爱因斯坦的反省》）
十九世纪末期是物理学的大变革时期，爱因斯坦从实验事实出发，重新考查了物理学的基本概念，在理论上作出了根本性的突破。他的一些成就大大推动了天文学的发展。
他的广义相对论对天体物理学、特别是理论天体物理学有很大的影响。
爱因斯坦的狭义相对论成功地揭示了能量与质量之间的关系，坚守着“上帝掷骰子”的量子论诠释（微粒子振动与平动的矢量和）的决定论阵地，解决了长期存在的恒星能源来源的难题。 近年来发现越来越多的高能物理现象，狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解之谜——水星近日点的进动（这是牛顿引力理论无法解释的），并推断出后来被验证了的光线弯曲现象，还成为后来许多天文概念的理论基础。
2009年10月4日，诺贝尔基金会评选“1921年物理学奖得主爱因斯坦”为诺贝尔奖百余年历史上最受尊崇的3位获奖者之一。（其他两位是1964年和平奖得主马丁·路德金、1979年和平奖得主德兰修女。）