爱因斯坦与物理学发展

爱因斯坦与物理学发展爱因斯坦常常被称为一个孤独的人。数学想象的领域有助于把精神从纷繁的俗物中解脱出来，就这个意义而言，我认为他确实是一个孤独的人。他的哲学可以叫做一种超验的唯物论，这种哲学达到了形而上学的前沿，那里可以完全割断对自我世界的纠缠。对我来说，科学和艺术都是我们天性的表现，它们高出我们的生物学需要之上而具终极价值。-------泰戈尔爱因斯坦是一位对科学发展有杰出贡献的伟大物理学家，这些贡献使他成为现代物理学的奠基者之一。为了纪念爱因斯坦在1905年发表的关于布朗运动，光量子和狭义相对论传奇论文100周年，国际物理学会（IUPAP）宣布2005年为世界物理学年（WYP）。在论述爱因斯坦对物理学发展之前，首先简单介绍一下爱因斯坦。阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein,1879--1955）是犹太人，1879年诞生于德国乌尔姆一家经营电器作坊的小业主家庭里，在德国度过少年时代，1895年迁居瑞士，1901年成为瑞士公民。他小时候并不显得才华出众，直到五岁时话还说不清楚，曾被医生认为发育不正常，家里人甚至担心他是个低能儿。六岁时他进入了国民学校，他是一个十分沉静的孩子，不过他很爱思考，总是向大人盘问“为什么？”有强烈的求知欲和好奇心。例如，四五岁时就对罗盘产生过浓厚的兴趣。“为什么罗盘的指针总是指向南北？这里一定有什么东西深深地隐藏在事物后面。”爱因斯坦后来回忆时这么说。12岁时他对几何定理的神奇也深有触动。例如他曾经想到：“三角形的三个高于一点，虽然不是显而易见，却可以很可靠地加以证明，以致任何怀疑似乎不可能。”他说：“这种明晰性和可靠性给我造成了一种难以形容的印象。”爱因斯坦不喜欢当年德国的教育制度，中学没有毕业就退了学，在家自修，16岁通过自学掌握了微积分。自学中，爱因斯坦从伯恩斯坦（A.Bernstrin）所著的《自然科学通俗读本》中了解了整个自然科学领域里的主要成果和方法。在这部几乎完全是定性的描述的读物中，伯恩斯坦用引人入胜的提问引导着读者去理解深奥的自认科学学知识。1894年，15岁的爱因斯坦放弃德国国籍，随家迁居意大利，后只身到瑞士的苏黎世，目的是上那里的联邦工业大学，却因不善记忆而没有被录取，乃转到阿劳（Aarau）州立中学补习功课。他在自述中写道：“这所学校以它的自由精神和那些毫不依赖外界权威的教师们的淳朴热情给我留下了难忘的印象”。这样，他就可以利用这里的条件尽情自由地自学。当他17岁作为学习数学和物理学的学生进入苏黎世联邦工业大学时，已经学过一些理论物理学了。在《自述片段》中他写道：“在阿劳这一年中，我想到这样一个问题：倘若一个人以光速跟着光波跑，那么他就处在一个不随时间而改变的波场之中。但看来不会有这种事情！这是同狭义相对论有关的第一个朴素的思想实验。”1905年被称为爱因斯坦“奇迹年”，他发表了五篇传奇论文：《分子大小的新测定方法》、《关于光的发生和转变的一个新观点》、《从热的分子运动论看静止液体中悬浮粒子的运动》、《论运动物体的电动力学》、《物体惯性同它所含的能量有关吗》，这五篇论文，每一篇都能够获得一次诺贝尔奖。特别是狭义相对论的建立和光量子论的提出，推动了物理学理论的革命。他对物理界做出了如此巨大的贡献，当时却年仅26岁，这不能不说是一个奇迹。爱因斯坦一生对物理学发展的贡献是多方面的，他深入地研究了布朗运动；提出了光量子概念，创立了光辐射量子理论，成功解释了光电效应；创立了狭义相对论和广义相对论等等，接下来我将介绍他在物理学方面的几点主要成就。一、对布朗运动的研究布朗运动是英国植物学家布朗于1827年发现的，但当时的科学家没有将其与分子运动联系起来。法国物理学家古伊在1888年前由一系列实验观察真正认识到布朗运动是由于液体内部的扰动引起德尔，只可惜其研究没有受到玻尔兹曼及其它坚持分子运动论的科学家的主要。后来，爱因斯坦运用统计方法对布朗运动进行了深入的理论研究，得出了很多重要结论。1905年关于分子运动论的论文是爱因斯坦的博士论文，题目是《分子大小的新测定方法》。文章的开头是这样论述的：“气体分子运动论使测量分子大小的最早办法成为可能，可是液体中可观测的物理现象直到目前还没有用来计算分子的大小，……现在这篇论文中将说明：不离解的稀溶液中溶质的分子大小，可以从溶液和纯溶剂的内摩擦，以及从溶质在溶剂里面的扩散（率）求出来。只要一个溶质的分子的体积大于一个溶剂分子的体积就行了。”计算结果是：糖分子的半径P=0.49×10-6mm；阿伏伽德罗常数N=6.56×1023mol-1。爱因斯坦认为其结果“同由别的方法所得到的这个量的值，在数量级上是一致得令人满意的”。（该片论文中存在计算错误，后来改正后发表在《物理学年刊》上）另一篇论文的标题是《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》。文中用统计方法得出悬浮粒子不规则运动的均方根位移公式：其中，k为气体常数，T为绝对温度，N为阿伏伽德罗常数，R为液体粘滞系数，P为粒子半径。文章指出N=6×1023，在17摄氏度水中的悬浮粒子在一分钟时间里的平均位移大约是6μm。第三篇论文《关于布朗运动的理论》的前言写道：“在我的论文《从热的分子运动论看静止液体中悬浮粒子的运动》发表后不久，一些物理学家通过直接的观测而得到了这样的信念，认为所谓布朗运动是液体分子不规则的热运动所引起的。不仅是布朗运动的性质，而且粒子所经路程的数量级，也都完全符合这个理论的结果。”文章最后，他给出室温下，直径为1μm和密度ρ=1g/cm3的小物体，在水中发生平动和转动的最小时间间隔大约是10-7s。二、光辐射量子理论的创立1905年以前，对光电效应的解释都是不能令人满意的，因为用现在的眼光来看，光电效应是不可能在经典物理学基础上解决的。直到1905年6月，爱因斯坦在《物理学年鉴》第17卷第1期上发表了《关于光的发生和转变的一个新观点》，光电效应德尔解释才有了突破性进展。爱因斯坦在该文中写到：“确实，在我看来，关于黑体辐射，光致发光，紫外线产生阴极射线，以及其它一些有关光的产生和转化的现象的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假设来解释，似乎就更容易解释”。按照这种所设想的假设，“从点光源发射出来的光线的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间体积中的，而是由个数有限的，集中在空间某些点的能量子所组成，这些能量子可以运动，但不能分割，而只能整个地被吸收或产生出来。”在论文中爱伊斯坦创造性地提出“光量子”概念，并借此来解释光致发光（荧光）、光电效应等现象，对于光电效应他指出：“关于光的能量连续地分布在它经过的空间之中这种通常的见解，当试图解释光电现象时，遇到了特别大的困难”。他用下列方法解释此困难：“按照入射光由能量为（R/N0）βν”的能量子所组成的见解，用光来产生阴极射线可以如下方式来解释，“能量子穿透物体的表面层，并且它的能量至少有一部分转换为电子的动能。最简单的设想是，一个光量子把它的全部能量转移给单个电子，我们要假设这是能够发生的情况。可是，我们不排除电子只从光量子那里吸收一部分能量的可能性。”按照上述说明则被发射的电子将接受的动能为：Emin=（R/N0）βν﹣P其中，（R/N0）βν即普朗克常数h，ν为光的频率，P为电子离开物体时所作的功。爱因斯坦进一步提出，当把上式Emin作为入射光的频率的函数而在笛卡尔坐标中画出时，就必然得到一条直线，并且其斜率不依赖于所研究的物质的种类。显然斜率就是h。爱因斯坦的解释虽与实验不矛盾，但也得不到确切的验证，所以很长时间不能被人们所接受。1917年，爱因斯坦发表了论文《按照量子论辐射的发射和吸收》，他认为电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且以这种形式以速度c在空间运动。这种粒子叫做光量子或光子。用这个观点，爱因斯坦成功地解释了光电效应。1907年，他把量子概念推广到物质内部的原子振动上，也就是初步建立声子的概念，提出低温条件下的比热容与温度有关。1908年，爱因斯坦发表了《论辐射问题的现况》的论文，他通过探讨辐射腔中能量涨落问题，第一次证明的辐射的量子理论，利用1913年玻尔提出的量子跃迁的概念，推导出普朗克的量子辐射公式。文中提出的受激发射的概念，是20世纪60年代以后发展的激光技术的基础。三、狭义相对论的建立十九世纪末，马赫所著的《发展中的力学中》批判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，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在了人们面前。四、广义相对论的建立狭义相对论建立后，爱因斯坦并不感到满足，力图把相对性院里的适用范围推广到非惯性系。他从伽利略发现的引力场中一切物体都具有同一加速度（即惯性质量同引力质量相等）这一古老的实验事实找到了突破口，于1907年提出了等效原理：“引力场同参考系的相当的加速度在物理上完全等价”，宁企鹅由此推论：在引力场中，时钟要变慢，光波波长要变化，光线要弯曲。等效原理的发现，爱因斯坦认为是他一生最愉快的思索，但以后的工作却十分艰苦，并且走了很大的弯路。1912年爱因斯坦回到母校任教，在他同班同学数学教授格罗斯曼的帮助下，他学习了黎曼几何和张量分析。经过一年的奋力合作，1913年发表了他们合著的论文《广义相对论和引力理论纲要》，提出引力的度规场理论。首次把引力和度规结合起来，使黎曼几何获得实在的物理意义。可是当时得到的引力场方程只对线性变换是协变的，还不具有广义相对性原理所要求的任意坐标变换下的协变性。后来爱因斯坦又要进行了更深入一步的研究，回到普遍协变的要求上来，与1915年1月25日向普鲁士科学院提交的论文《引力的场方程》，宣告“广义相对论作为一种逻辑结构终于完成了”。1916年3月爱因斯坦进一步完善他的理论，写了一篇总结性的论文《广义相对论基础》。其内容主要包括两条基本原理：等效性原理，即对某一加速运动的参考心中的惯性力与在一个小体积范围内的万有引力是等效的；广义相对性原理，即物理规律在一切参考系中是等效相同的。该理论运用了大量的黎曼几何、张量计算、、绝对微分等艰难的数学知识，充满了深邃的哲学思辨，包含着崭新的物理内容。从对布朗运动的研究到光辐射量子理论的，从狭义相对论的建立到广义相对论的建立，可以看出爱因斯坦对近代物理发展做出的贡献。在《相对论简史》中，霍金曾写道:“在过去的100年中，世界经历了前所未有的变化。其原因并不在于政治，也不在于经济，而在于科学技术——直接源于先进的基础科学研究的科学技术。没有别的科学家能比爱因斯坦更代表这种科学的先进性。