狹義相對(duì)論（１９０５年）等４則

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦取消了空間和時(shí)間，他所做的一切就是將二者統(tǒng)一起來。

我們都知道，根據(jù)不同的參照物，物體的移動(dòng)速度會(huì)不同。比如，當(dāng)我們?cè)诟咚亠w行的飛機(jī)上漫步時(shí)，相對(duì)于地面上的人來說，我們正在以飛機(jī)的速度移動(dòng)。但是，光速卻不適合這種理論，無論光來自哪里或者是誰測量它，光的速度永遠(yuǎn)保持不變。

愛因斯坦不得不拋棄牛頓的絕對(duì)空間和時(shí)間學(xué)說，才能解釋清楚這個(gè)事實(shí)。長度和時(shí)間取決于測量它的人。對(duì)于你來說，飛速行進(jìn)的宇航船上的宇航員好似被壓扁的生靈，這種現(xiàn)象叫做“羅倫茲收縮”。由于時(shí)間膨脹的原因，他們行動(dòng)異常地緩慢。在宇航船上的人員看來，你同他們一樣也被壓扁，行動(dòng)遲緩。狹義相對(duì)論中的所有運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的。沒有什么“優(yōu)先的框架”。

根據(jù)狹義相對(duì)論，當(dāng)相對(duì)速度達(dá)到光的速度，也就是極限速度時(shí)，時(shí)間膨脹和羅倫茲收縮才能達(dá)到極限。物理學(xué)家看到加速器里的飛速顆粒每天按照規(guī)定的相對(duì)速度運(yùn)行。天文學(xué)家看到遠(yuǎn)處的星系飛速地離我們遠(yuǎn)去，又好像放慢了速度。

將相對(duì)論的觀點(diǎn)運(yùn)用于能量，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了他著名的公式E=mc²。公式認(rèn)為大量的能量隱藏在物質(zhì)中，相當(dāng)于物質(zhì)乘以光的速度的平方。1千克能量足以燒沸1萬億桶水或者毀壞一座城市。

廣義相對(duì)論(1915年) 阿爾伯特·愛因斯坦(1879～1955年)

回避了絕對(duì)空間和時(shí)間，愛因斯坦得以將宇宙塑造成一個(gè)奇異的新形狀。根據(jù)牛頓重力定律，任何距離都會(huì)產(chǎn)生作用力。但是在狹義相對(duì)論看來，沒有什么物質(zhì)的速度能夠超越光的速度。愛因斯坦想消除這一矛盾說法。1907年，他意識(shí)到一個(gè)墜落的人不會(huì)感覺到自身的重量，加速與重力應(yīng)該是相等的。1915年，他根據(jù)這個(gè)想法提出物理學(xué)歷史上最富有創(chuàng)新性的理論。在廣義相對(duì)論中，所有空間和時(shí)間都呈曲線狀，而且包括地球和太陽在內(nèi)的所有物體都會(huì)在空間上留下一個(gè)凹痕。當(dāng)它們?cè)谄鸱剡\(yùn)行時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們留下的曲線性運(yùn)動(dòng)軌跡，這是對(duì)地球繞太陽旋轉(zhuǎn)的最好解釋。該理論預(yù)測光因?yàn)橹亓Φ脑蚨鴱澢?919年，阿瑟·愛丁頓宣稱由于太陽重力的作用，他看到星星偏離原來的位置。這表明廣義相對(duì)論已得到科學(xué)家和普通大眾的認(rèn)可。

還有比這更加令人震驚的預(yù)測當(dāng)足夠的物質(zhì)非常擁擠的時(shí)候，空間將達(dá)到其破裂點(diǎn)。一眼無限深的井在空間里構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的統(tǒng)一體，重力使得宇宙中的一切物質(zhì)無法逃逸，這就是黑洞。天文學(xué)家們認(rèn)為宇宙里充斥著龐大的怪物，在星系中心有一個(gè)巨大的黑洞。新的實(shí)驗(yàn)正在尋找其他怪異的結(jié)果。巨大的地下探測器在尋找黑洞形成時(shí)會(huì)產(chǎn)生的重力波以及空間脈沖。廣義相對(duì)論還可以解釋整個(gè)宇宙的形態(tài)及其進(jìn)化情況。根據(jù)最新測算，愛因斯坦相對(duì)論方程中一個(gè)簡單的常量可以解釋擴(kuò)張的地球?yàn)楹翁幱诩铀贍顟B(tài)。

擴(kuò)張的宇宙(1929年) 埃德溫·鮑威爾·哈勃(1889～1953年)

1914年，利用安裝在帕薩迪那的威爾遜山天文臺(tái)是上的2，5米虎克望遠(yuǎn)鏡，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃證實(shí)了維斯托·梅爾文·斯里弗所獲得的光譜數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明，那些被稱為星云的模糊不清的光區(qū)，其實(shí)是和銀河系一樣的遙遠(yuǎn)的星系。哈勃進(jìn)而將這些星系分為標(biāo)準(zhǔn)螺旋、條形螺旋、橢圓形及不規(guī)則形。他起初認(rèn)為，這些結(jié)構(gòu)圖代表著演化的次序，但后來他自己對(duì)此也產(chǎn)生了懷疑。今天，我們已經(jīng)知道的確并非如此。

斯里弗花費(fèi)數(shù)百小時(shí)測算來自遙遠(yuǎn)的模糊的螺旋星云的光譜，朝向光譜紅色一端的“多普勒紅移”表明，所有的星云離我們都越來越遠(yuǎn)。1925年，他利用這種”紅移”計(jì)算出44種輻射速度。最高的速度超過1000千米／秒。斯里弗肯定這種星云位于銀河系以外。哈勃花費(fèi)了大量精力估算它的距離。到1929年，哈勃和同事收集了49片星云(現(xiàn)在稱為星系)的數(shù)據(jù)資料。他驚奇地發(fā)現(xiàn)，星系越遠(yuǎn)，紅移速度就越快，也就是說遠(yuǎn)離的速度越快。這種相對(duì)關(guān)系表明宇宙在擴(kuò)張，而且有著確定的起源時(shí)間。這些發(fā)現(xiàn)與愛因斯坦的廣義相對(duì)論的預(yù)測相吻合。

速度一距離比例后來被稱為哈勃常數(shù)，也就是宇宙擴(kuò)張的速度。而距離一速度的比例則為宇宙的年齡，即大爆炸后流逝的時(shí)間。令人遺憾的是，哈勃最初估計(jì)宇宙的年齡只有幾十億年，甚至比地球還年輕。如今，人們一致的看法是130億年。

核能(1942年)

奧托·哈恩(1879～1968年)，弗里茲·斯特拉斯曼(1902～1980年)，里斯·邁特納(1878～1968年奧托·羅伯特·弗里希(1904～1979年)，恩瑞克·費(fèi)米(1901～1954年)

二戰(zhàn)爆發(fā)前幾個(gè)月，物理學(xué)家們找到了一種將原子核的能量釋放出來的方法。德國科學(xué)家奧托·哈恩和弗里茲·斯特拉斯曼用中子轟擊鈾，結(jié)果獲得了一些新的原子，看起來是鋇——一種比鈾輕得多的元素。1939年初，里斯·邁特納和奧托·弗里希意識(shí)到原子核分裂成了兩部分。根據(jù)他們的測算，這種核裂變釋出的能量是巨大的。

然而裂變過程中某種物質(zhì)逃逸了。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)裂變的鈾原子核將兩三個(gè)中子排斥出去。而中子的逃逸又引起其他鈾原子的核裂變，導(dǎo)致更多中子的逃逸。在這種連鎖反應(yīng)中，整塊整塊的鈾將內(nèi)部的能量釋放出來。

二戰(zhàn)期間，同盟國方面擔(dān)心希特勒統(tǒng)治下的德國可能會(huì)利用核裂變制造出毀滅性武器，因而投入巨大的人力物力，以便搶在德國之前研制成功。1942年12月2日，芝加哥大學(xué)的恩瑞克·費(fèi)米和他的研究小組率先成功地進(jìn)行了獨(dú)立的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。費(fèi)米設(shè)計(jì)核反應(yīng)堆的目的在于獲得钚，一種裂變的人造元素。第一顆原子彈所用的主要原料就是钚，1945年7月16日在新墨西哥的特里尼蒂試爆成功，爆炸當(dāng)量為18000噸TNT。而后來的兩顆，即“小男孩”和“大胖子”，在同年8月份被分別投在了廣島和長崎，奪去了幾十萬人的生命。如今全球電力供應(yīng)大約有1／5來自核裂變反應(yīng)堆。