阿尔伯特·爱因斯坦的重要贡献
相对论
狭义相对论的创立:早在16岁时，爱因斯坦就从书中了解到光是一种以非常快的速度运动的电磁波。他想出了一个主意。如果一个人以光速运动，他会看到什么样的世界场景？他看不到前进的光，只看到在空间振荡但停滞不前的电磁场。这可能吗？
与此相关，他非常想讨论与光波相关的所谓以太问题。以太网这个术语起源于希腊，用来表示组成天体的基本元素。在17世纪，笛卡尔第一次将它引入科学，作为传播光的媒介。后来，惠更斯进一步发展了以太理论，认为携带光波的介质是以太，它应该充满包括真空在内的所有空间，并渗透到普通物质中。与惠更斯的观点不同，牛顿提出了光的粒子理论。牛顿认为，发光体发出直线运动的粒子流，粒子流对视网膜的冲击导致视觉。牛顿的粒子理论在18世纪占了上风，但在19世纪，正是波动理论占据了绝对优势，从而极大地发展了以太理论。当时的观点是波的传播依赖于介质，因为光可以在真空中传播，传播光波的介质是以太网，也叫光以太网，它充满了整个空间。与此同时，电磁学蓬勃发展。通过麦克斯韦、赫兹等人的努力，已经形成了一个成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学。光和电磁现象在理论和实践上是统一的。光被认为是一定频率范围内的电磁波，从而统一了光的波动理论和电磁理论。以太网不仅是光波的载体，也是电磁场的载体。直到19世纪末，人们试图找到以太网，但他们从未在实验中找到以太网。
然而，电动力学遇到了一个重大问题，这与牛顿力学遵循的相对论原理不一致。相对论原理的思想可以追溯到伽利略和牛顿。电磁学的发展最初被纳入牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时遇到了困难。根据麦克斯韦的理论，电磁波在真空中的速度，即光速，是一个常数。然而，根据牛顿力学的速度叠加原理，不同惯性系统中光速是不同的，这就提出了一个问题:相对论适用于力学，适用于电磁学吗？例如，有两辆车，一辆接近，一辆离开。你看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆车的灯光离开。根据麦克斯韦的理论，这两种光具有相同的速度，汽车的速度对它们没有影响。但是根据伽利略的理论，这两次测量的结果是不同的。向你驶来的汽车将加速发出的光，即前面汽车的光速=光速+汽车的速度；离开汽车的光速较慢，因为后面汽车的光速=光速。麦克斯韦显然反驳了伽利略关于速度的说法。我们如何解决这一差异？
理论物理学在19世纪达到顶峰，但也有一场巨大的危机。海王星的发现显示了牛顿力学无可比拟的理论力量。电磁学和力学的统一使物理学表现出一种形式上的完整性，被誉为“一个庄严雄伟的建筑体系和一座动人心弦的美丽殿堂”。在人们的心目中，经典物理学已经达到了近乎完美的水平。德国著名物理学家普朗克年轻时向老师表示，他将致力于理论物理。老师建议他，“年轻人，物理是一门已经完成的科学，不会有太大的发展。把他的一生都献给这个主题太糟糕了。”
爱因斯坦似乎是那个将要建造一座崭新的物理大楼的人。在伯尔尼专利局任职期间，爱因斯坦广泛关注物理学领域的最新发展，对许多问题进行了深入思考，形成了自己独特的见解。在长达十年的探索中，爱因斯坦仔细研究了麦克斯韦的电磁理论，尤其是由赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题困扰着他，那就是绝对参照系的存在。他读了许多书，发现所有证明以太存在的尝试都失败了。在研究了爱因斯坦之后，他发现乙醚在洛伦兹理论中没有实际意义，除了作为一个绝对参照系和一个电磁场载荷。所以他想:以太网的绝对参考系统有必要吗？电磁场必须有负载吗？
爱因斯坦喜欢阅读哲学著作，从哲学中汲取思想营养。他相信世界的统一和逻辑的一致性。相对论已在力学中得到广泛证明，但在电动力学中却不能成立。爱因斯坦怀疑两个物理理论体系之间的逻辑矛盾。他认为相对论应该是普遍成立的，所以电磁理论对于每个惯性系统应该有相同的形式，但是光速的问题就在这里出现了。光速是常量还是变量，成为相对论是否被普遍接受的首要问题。当时的物理学家普遍相信以太，也就是说，有一个绝对的参照系，它受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末，马赫在《发展中的力学》一书中批评了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，爱因斯坦和他的一个朋友贝索讨论了这个已经探索了十年的问题。贝索根据马赫的观点阐述了自己的观点，两人进行了长时间的讨论。突然间，爱因斯坦意识到他学到了什么。他回到家，反复思考这件事。最后，他想了解这个问题。第二天，他再次来到贝索的家，说:“谢谢你，我的问题已经解决了。”事实证明，爱因斯坦清楚地想到了一件事:时间没有绝对的定义，时间和光信号的速度之间有着不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙。经过五周的努力，爱因斯坦向人们展示了他的狭义相对论。
1905年6月30日，《德国物理年鉴》接受了爱因斯坦的论文《运动物体的电动力学》，并在同年9月出版。本文是第一篇关于狭义相对论的论文，其中包含了狭义相对论的基本思想和内容。狭义相对论基于两个原则:相对论原则和光速不变的原则。爱因斯坦解决问题的出发点是他对相对论的坚定信念。伽利略首先阐述了相对论原理，但他没有给出时间和空间的明确定义。牛顿在建立机械系统时也谈到了相对论，但他也定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动。在这个问题上他是矛盾的。爱因斯坦极大地发展了相对论原理。在他看来，没有绝对静止的空间，也没有绝对相同的时间。所有的时间和空间都与运动的物体联系在一起。对于任何参照系和坐标系，只有空间和时间属于这个参照系和坐标系。对于所有的惯性系统，在参照系中由空间和时间表示的物理定律在形式上是相同的。这就是相对论原理，严格地说，狭义的相对论原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有讨论作为基本原理基础的光速不变性。他提出光速不变性是一个大胆的假设，这是从电磁理论和相对论的要求提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年思考乙醚和电动力学问题的结果。他同时从相对论的角度建立了新的时空理论，并在新的时空理论的基础上给出了运动物体的电动力学的完整形式。乙醚不再是必需的。乙醚漂移不存在。
什么是同时性的相对性？我们怎么知道两个事件在不同的地方同时发生？一般来说，我们将通过信号确认。为了知道其他地方事件的同时性，我们必须知道信号的传输速度，但是如何测量这个速度呢？我们必须测量两地之间的空间距离和信号传输所需的时间。空间距离的测量非常简单。问题在于测量时间。我们必须假设每个地方都有一个对齐的时钟。从两个时钟的读数中，我们可以知道信号传输的时间。但是我们怎么知道其他地方的时钟是否正确呢？答案是需要一个信号。这个信号能校正时钟吗？按照以前的想法，它需要一个新的信号，所以它会无限期地倒退，而不同地方的同时性事实上无法得到证实。然而，有一点是清楚的:同时性必须与一个信号联系在一起，否则我们说这两个事件同时发生是没有意义的。
光信号可能是最适合时钟的信号，但光速不是无限的，这导致了一个新的结论:对于静止的观察者来说，两个同时发生的事件对于运动的观察者来说是不一样的。让我们想象一列高速行驶的火车。它的速度接近光速。当火车通过站台时，甲正站在站台上。两个闪电在A的前面闪过，一个在火车的前面，一个在后面，在火车的两端和站台的相应部分留下痕迹。通过测量，甲与列车两端的距离相等，结论是甲同时看到两道闪电。因此，对于A，两个接收到的光信号在相同的时间间隔内传播相同的距离，并且同时到达他的位置。这两个事件必须同时发生，而且是同时发生的。然而，对于直接位于列车中心的B来说，情况就不同了。因为B随着高速列车移动，他将拦截向他传播的前端信号，然后从后端接收光信号。对B来说，这两个事件是不同的。换句话说，同时性不是绝对的，而是取决于观察者的运动状态。这个结论否定了基于牛顿力学的绝对时间和绝对空间框架。
相对论认为光速在所有惯性参考系中都是恒定的，是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度将变短，运动物体的时间将延长。然而，由于日常生活中遇到的问题，运动的速度非常低(与光速相比)，并且相对论效应看不到。
爱因斯坦在时空根本变化的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他还给出了一个著名的质能关系:e = MC ^ 2，对后来原子能的发展起到了指导作用。
广义相对论的建立；
爱因斯坦在1905年发表了他的第一篇关于狭义相对论的文章后，并没有立即引起巨大的反响。然而，德国物理学的权威人物普朗克注意到了他的文章，并认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼的相媲美。正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的主题，爱因斯坦也受到学术界的关注。
1907年，爱因斯坦听从了朋友们的建议，提交了一篇著名的论文，申请联邦理工大学的编外讲师职位，但答案是这篇论文不可理解。尽管爱因斯坦在德国物理学界已经很有名了，但他却无法在瑞士的一所大学找到一份教学工作。许多名人开始抱怨他。1908年，爱因斯坦最终获得了编外讲师的职位，并于次年成为副教授。1912年，爱因斯坦成为一名教授。1913年，普朗克邀请他担任新成立的威廉皇帝物理研究所主任和柏林大学教授。
在此期间，爱因斯坦正在考虑推广已确立的相对论。对他来说，有两个问题让他感到不安。首先是重力问题。狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理定律是正确的，但它不能解释重力问题。牛顿的引力理论是超距离的，两个物体之间的引力作用是瞬时传递的，即以无限的速度传递，这与基于相对论和光速极限的场论相矛盾。第二个问题是非惯性系统。狭义相对论，像以前的物理定律一样，只适用于惯性系统。但事实上很难找到真正的惯性系统。从逻辑上讲，所有的自然法则不应该局限于惯性系统，而必须考虑非惯性系统。狭义相对论很难解释所谓的孪生佯谬。自相矛盾的是，有一对孪生兄弟，兄弟，正以接近光速的速度在宇宙飞船上航行。根据相对论效应，高速时钟会变慢。当哥哥回来的时候，哥哥已经变得很老了，因为地球已经经历了几十年。根据相对论原理，宇宙飞船相对于地球高速运动，而地球相对于宇宙飞船高速运动。弟弟看到弟弟越来越小，哥哥看到弟弟越来越小。这个问题很难回答。事实上，狭义相对论只处理匀速直线运动，而哥哥必须经历变速运动过程才能返回，这是相对论无法处理的。当人们忙于理解相对狭义相对论时，爱因斯坦正在接受广义相对论的完成。
1907年，爱因斯坦写了一篇关于狭义相对论的长文，“论相对论原理及其结论”。在这篇文章中，爱因斯坦第一次提到了等效原则。从那以后，爱因斯坦关于等价原则的思想不断发展。他把惯性质量与重力质量成正比的自然定律作为等效原理的基础，并提出无限小体积内的均匀重力场可以完全取代加速运动的参照系。爱因斯坦还提出了封闭盒的说法:无论用什么方法，封闭盒中的观察者都不能确定他是仍在引力场中还是在没有引力场的空间中，而是在加速运动。这是解释等效原理最常用的说法，惯性质量和重力质量的等效是等效原理的自然推论。
1915年11月，爱因斯坦向普鲁士科学院提交了四篇论文。在这四篇论文中，他提出了新的观点，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程。到目前为止，广义相对论的基本问题已经解决，广义相对论诞生了。1916年，爱因斯坦完成了他的长篇论文《广义相对论的基础》。在这篇文章中，爱因斯坦首先把以前适用于惯性系统的相对论称为狭义相对论，而只有惯性系统的物理定律同样有效的原理称为狭义相对论，并进一步表述了广义相对论的原理:物理定律必须对以任何方式运动的任何参照系有效。
爱因斯坦的广义相对论认为，由于物质的存在，空间和时间会弯曲，而重力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦关于太阳引力弯曲空间的理论很好地解释了水星近日点进动无法解释的43秒。广义相对论的第二个预测是引力红移，也就是说，光谱在强引力场中向红移，这在20世纪20年代天文学家的天文观测中得到证实。广义相对论的第三个预测是引力场使光偏转。离地球最近的最大引力场是太阳引力场。爱因斯坦预言，如果遥远的星光经过太阳表面，它会偏转1.7秒。1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了两次探险队去观察日全食。经过仔细研究，最终结论是星光确实在太阳附近偏转了1.7秒。皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告，确认广义相对论的结论是正确的。在会上，著名物理学家、英国皇家学会会长唐木孙说:“这是自牛顿时代以来在万有引力理论上最重大的成就”，“爱因斯坦的相对论是人类思想上最伟大的成就之一”。爱因斯坦成了新闻人物。1916年，他写了一本关于相对论的畅销书《狭义相对论和广义相对论简介》。到1922年，它已经被重印了40次，并被翻译成十几种语言，广为流传。
相对论的意义:
狭义相对论和广义相对论的建立已经有很长时间了。它经受住了实践和历史的考验，是公认的真理。相对论对现代物理学的发展和现代人类思想的发展有很大的影响。相对论在逻辑上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对论原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学，指出它们都服从狭义相对论原理，都是洛伦兹变换的协变量。牛顿力学只是物体低速运动的一个很好的近似定律。广义相对论在广义协变理论的基础上，通过等价原理建立了局部惯性长度与普适参考系数之间的关系，得到了所有物理定律的广义协变形式，建立了广义协变引力理论，但牛顿引力理论只是其一阶近似。这从根本上解决了物理学过去局限于惯性系数的问题，并在逻辑上得到了合理的安排。相对论严格考察了物理学的基本概念，如时间、空间、物质和运动，并给出了科学的、系统的时间、空间和物质观，从而使物理学在逻辑上成为一个完美的科学体系。
狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，认为质量等于能量，并给出了质量-能量关系。这两项成就对低速运动的宏观物体来说并不明显，但在研究微观粒子时，它们显示出极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般比较快，有些接近甚至达到光速，所以粒子的物理学不能与相对论分开。质能关系不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，也为核物理的发展和应用提供了基础。
当时，地球上的大多数物理学家，包括相对论变换关系的创始人洛伦茨，发现很难接受爱因斯坦引入的这些全新概念。有人甚至说“当时世界上只有两个半的人理解相对论”。旧思想方法的障碍使得这种新的物理理论直到一代人以后才为广大物理学家所熟悉。甚至瑞典皇家科学院在1922年将诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦时，也只是说，“因为他对理论物理的贡献，也因为他发现了光电效应定律。”爱因斯坦的诺贝尔物理学奖中没有提到爱因斯坦的相对论。
E=mc^2
物质不朽的法则意味着物质的质量是不朽的。能量守恒定律是指物质的能量守恒。(信息守恒定律)
虽然这两个伟大的定律相继被发现，但人们认为它们是两个不相关的定律，每一个都说明了不同的自然法则。有些人甚至认为物质不灭定律是化学定律，能量守恒定律是物理定律，它们属于不同的科学范畴。
爱因斯坦认为物质的质量是惯性的量度，能量是运动的量度。能量和质量不是相互孤立的，而是相互联系、不可分割的。物体质量的变化会引起相应的能量变化。物体能量的变化也会使质量发生相应的变化。
在狭义相对论中，爱因斯坦提出了著名的质量能量公式:e = MC 2(其中e代表物体的能量，m代表物体的质量，c代表光速，即3×108米/秒)。
爱因斯坦的理论最初遭到许多人的反对。甚至当时一些著名的物理学家也对这个年轻人的论文表示怀疑。然而，随着科学的发展，大量的科学实验证明了爱因斯坦的理论是正确的，爱因斯坦成为了世界著名的科学家和20世纪最伟大的科学家。
爱因斯坦的质能关系公式正确地解释了各种核反应:以氦4为例，它的原子核由2个质子和2个中子组成。原则上，氦4原子核的质量等于2个质子和2个中子的质量之和。事实上，这种算术并不成立，氦核的质量比2个质子和2个中子的质量之和少0.0302原子质量单位[57]！这是为什么？因为当两个氘[道]核(每个氘包含一个质子和一个中子)聚集成一个氦4核时，大量的原子能被释放出来。当产生1克氦4原子时，释放出约2.7 × 10 12焦耳的原子能。因此，氦4原子核的质量减少了。
这个例子生动地说明，当两个氘核聚集成一个氦4核时，质量似乎不守恒，即氦4核的质量不等于两个氘的质量之和。然而，根据质能关系式，氦4核损失的质量正好等于反应过程中释放的原子能减少的质量！
这样，爱因斯坦从一个更新的高度解释了物质不灭定律和能量守恒定律的本质，并指出这两个定律之间的密切关系，进一步加深了人类对自然的理解。
光电效应
对某些物质的光照射会导致这些物质的电学性质发生变化。这种光致偏振现象统称为光电效应。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和光伏效应。前一种现象发生在物体表面，也称为外部光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内部光电效应。
赫兹在1887年发现了光电效应。爱因斯坦是第一个成功解释光电效应的人。光照射下金属表面发射电子的效应。发射的电子被称为光电子。只有当光的波长小于某个临界值时，才能发射电子，即极限波长，相应光的频率称为极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长，与光的强度无关，这不能用光的波动来解释。光的波动也有矛盾，即光电效应的瞬时性。根据涨落理论，如果入射光较弱，照射时间较长，金属中的电子可以积累足够的能量飞出金属表面。然而，事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光子的产生几乎是瞬时的，不管光的亮度是强还是弱，并且不超过负十秒的九次方。正确的解释是，光必须由与波长相关的严格定义的能量单位(即光子或光量子)组成。
在光电效应中，电子的发射方向不是完全定向的，但是不管照射方向如何，大多数电子都是垂直于金属表面发射的。光是电磁波，但光是具有高频振荡的正交电磁场，其振幅很小，不会影响电子的发射方向。
1905年，爱因斯坦提出了光子假说并成功解释了光电效应，从而获得了1921年诺贝尔物理学奖。
"上帝不会掷骰子。"
爱因斯坦曾是量子力学的创始人之一，但他对量子力学的后续发展并不满意。爱因斯坦一直认为，“量子力学(哥本哈根解释为首的波恩):”基本上，量子系统的描述是概率。事件的概率是波函数绝对值的平方。”)不完整”，但苦于没有好的解释模型，也有著名的“上帝不掷骰子”的否定叫声！事实上，爱因斯坦的直觉是对的，而决定论的量子解释是“量子解释”的真正根源。爱因斯坦直到去世才接受量子力学是一个完整的理论。爱因斯坦还有另一句名言:“月亮只有在你看着他的时候才存在吗？”
宇宙常数
当爱因斯坦提出他的相对论时，他在引力场方程中引入了一个与度量张量成正比的项，用符号λ表示，来解释存在一个物质密度非零的静态宇宙。标度常数非常小，在银河标度中可以忽略不计。只有在宇宙尺度上λ才有意义，所以它被称为宇宙常数。所谓反重力的固定值)转化成他的方程式。他相信有一种反重力，它能与重力平衡，使宇宙变得有限而静止。当哈勃骄傲地向爱因斯坦展示天文望远镜时，爱因斯坦非常羞愧。他说，“这是我一生中犯的最大的错误。”宇宙正在膨胀！哈勃和其他人认为反重力并不存在。由于星系之间的引力，膨胀速度越来越慢。
那么，爱因斯坦完全错了吗？不。星系之间有一个扭曲的力，导致宇宙不断膨胀，也就是暗能量。70亿年前，他们“击败”了暗物质，成为宇宙的主人。最新研究表明，就质量组成而言，暗物质和暗能量约占宇宙的96%(只有真实质量，没有想象中的物质)。似乎宇宙将继续以加速的速度膨胀，直到它分解和死亡。(目前，还有其他争议性的论点)。尽管宇宙常数存在，反重力的值远远超过重力。难怪这位固执的物理学家在量子力学中与玻尔争论:“上帝不会掷骰子！”(不要命令上帝如何决定宇宙的命运)林德非常机智地说:“现在，我终于明白了为什么他(爱因斯坦)如此喜欢这个理论，多年后仍然研究宇宙常数。宇宙常数仍然是当今物理学中最大的疑问之一。”