狹義相對論（１９０５年）等４則

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦取消了空間和時間，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，物體的移動速度會不同。比如，當(dāng)我們在高速飛行的飛機上漫步時，相對于地面上的人來說，我們正在以飛機的速度移動。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，光的速度永遠保持不變。

愛因斯坦不得不拋棄牛頓的絕對空間和時間學(xué)說，才能解釋清楚這個事實。長度和時間取決于測量它的人。對于你來說，飛速行進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”。由于時間膨脹的原因，他們行動異常地緩慢。在宇航船上的人員看來，你同他們一樣也被壓扁，行動遲緩。狹義相對論中的所有運動都是相對的。沒有什么“優(yōu)先的框架”。

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

將相對論的觀點運用于能量，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。

廣義相對論(1915年)阿爾伯特·愛因斯坦(1879～1955年)

回避了絕對空間和時間，愛因斯坦得以將宇宙塑造成一個奇異的新形狀。根據(jù)牛頓重力定律，任何距離都會產(chǎn)生作用力。但是在狹義相對論看來，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，他意識到一個墜落的人不會感覺到自身的重量，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。在廣義相對論中，所有空間和時間都呈曲線狀，而且包括地球和太陽在內(nèi)的所有物體都會在空間上留下一個凹痕。當(dāng)它們在起伏地運行時，我們會發(fā)現(xiàn)它們留下的曲線性運動軌跡，這是對地球繞太陽旋轉(zhuǎn)的最好解釋。該理論預(yù)測光因為重力的原因而彎曲。1919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)非常擁擠的時候，空間將達到其破裂點。一眼無限深的井在空間里構(gòu)成一個連續(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，在星系中心有一個巨大的黑洞。新的實驗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會產(chǎn)生的重力波以及空間脈沖。廣義相對論還可以解釋整個宇宙的形態(tài)及其進化情況。根據(jù)最新測算，愛因斯坦相對論方程中一個簡單的常量可以解釋擴張的地球為何處于加速狀態(tài)。

擴張的宇宙(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是上的2，5米虎克望遠鏡，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃證實了維斯托·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)，其實是和銀河系一樣的遙遠的星系。哈勃進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。

斯里弗花費數(shù)百小時測算來自遙遠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。1925年，他利用這種”紅移”計算出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，紅移速度就越快，也就是說遠離的速度越快。這種相對關(guān)系表明宇宙在擴張，而且有著確定的起源時間。這些發(fā)現(xiàn)與愛因斯坦的廣義相對論的預(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間。令人遺憾的是，哈勃最初估計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·費米(1901～1954年)

二戰(zhàn)爆發(fā)前幾個月，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·費米和他的研究小組率先成功地進行了獨立的核反應(yīng)實驗。費米設(shè)計核反應(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。