爱因斯坦(7)_应天故事汇

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七

爱因斯坦受普朗克量子概念的启示，在1905年的那篇著名的论文中，大胆提出了光量子假说。这源于他的一个思想，这就是世界统一性的思想。在他看来，在当时的物理理论中，物体是由一个一个原子组成的，是不连续的，而光（电磁波）却是连续的。在原子的不连续性和光波的连续性之间有着令人不解的深刻矛盾。他不满足于普朗克把能量的不连续性局限于辐射的吸收和发射的特殊性上。他相信光同原子一样也有粒子性，光不仅在吸收和发射时是不连续的，而且光在空间的传播也是不连续的，光就是以光速运动着的粒子流。按照他所提出的光量子假说，光是由光量子（后来简称光子）这种粒子组成的，光的能量是不连续的，同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是这一假说成功地解释了光电效应，并给出了光电效应的爱因斯坦方程。这一方程给出了电子动能与光频率之间的基本关系式，即：　　光量子论提出后，几乎遭到所有老一辈物理学家（其中也包括普朗克）的反对，一些年轻物理学家也无法接受。美国物理学家密立根起初也不相信光量子论，企图以实验来否定它。他花了10年功夫去检验爱因斯坦的光电效应公式，但实验结果却与他最初的愿望相反。1915年他不得不断言爱因斯坦光量子论的正确性，宣告他的实验证实了爱因斯坦的光电效应公式，并由该公式精确地测定了h的值，这个结果与普朗克辐射公式给出的h值符合得很好。对光量子论的另一个有力的支持是美国物理学家康普顿的工作。1922—1923年间，康普顿研究了X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱。根据古典电磁理论，入射波长与散射波长应该相等。而康普顿的实验却发现，除有波长不变的散射外，还有大于入射波长的散射存在。这种波长改变的散射现象称为康普顿效应。光的波动说无论如何也不能解释这种效应。康普顿发现这种效应时也不相信光量子理论，经多方探索，他终于认识到这种效应只能用光量子论来解释。康普顿效应被看成是光量子假说的判决实验，被认为是光量子存在的确凿证据。　　光量子论的提出和证实，在某种意义上复活了光的微粒说，但这不是简单地回到牛顿的发射论。爱因斯坦提出光量子论有着更深刻的思想，他认为光的粒子性和波动性都各自反映了光的本质的一个侧面。1909年，爱因斯坦参加了德国自然科学家协会在萨尔斯堡举行的大会，第一次会见了普朗克，并在会上作了“论我们关于辐射的本质和结构的观点的发展”的报告。他论证说，未来的光学理论“可以认为是光的波动论和发射论的某种综合”。爱因斯坦提出光量子论，赋予光以波粒二象性，把光的微粒说和波动说在一个更高的基础上统一起来了。　　爱因斯坦于1905年提出光量子论之后，1906年他又把量子概念扩充到物体内部粒子的振动上去，解决了低温时固体的比热同温度变化的关系问题。1916年他所撰写的论文《关于辐射的量子理论》，是量子论发展第一阶段的理论总结。它从玻尔的原子结构假说出发，用统计力学的方法导出了普朗克的辐射公式。文中所提出的受激辐射理论，是本世纪60年代蓬勃发展起来的激光技术的理论基础。1924年，法国物理学家德布罗意在爱因斯坦光量子理论和光的波粒二象性思想的启发下，推广了爱因斯坦在光量子理论中推出的公式（P为动量，λ为波长），提出了物质波理论。这是量子物理学发展中的一个重要成就，德布罗意因此荣获了1929年的诺贝尔物理学奖。与此同时，当德布罗意物质波理论刚提出，爱因斯坦就用它来处理单原子理想气体，同玻色一起建立了玻色—爱因斯坦量子统计理论。这些工作，促成了电子波的实验证实，也推动了薛定谔波动力学的建立。　　3.物理学上的时空革命　　狭义相对论的创立　　在爱因斯坦于1905年发表在德国《物理学杂志》上的几篇论文中，　　《论动体的电动力学》是物理学中具有划时代意义的历史文献。这篇论文宣告了相对论的创立。而相对论是爱因斯坦一生中最重要的科学贡献。在这篇论文中，爱因斯坦提出了狭义相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。这一理论把牛顿力学作为低速运动理论的特殊情形包括在内，它揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性，对空间和时间这样一些基本概念作了本质上的变革；它深刻揭露了力学运动和电磁运动在运动学上的统一性，而且还进一步揭示了物质和运动的统一性。这一在物理理论上的根本突破，开辟了物理学的新纪元。　　爱因斯坦狭义相对论思想的产生，最早源于他16岁时一直困扰着他的一个问题。在他1895年进入阿劳中学上学时，他已比与他同龄的中学生掌握了更多的物理方面的知识。他对探索自然奥秘有着无比浓厚的兴趣，时常一个人静静地思考一些科学特别是物理学方面的问题。一天，他突然想到这样一个问题：假如一个人以光速跟着光波跑，那末他就处在一个不随时间而改变的波场之中。也就是说，应该看到这条光线就好像一个在空间振荡而停滞不前的电磁场。然而看来不会有这种事情。这个问题他一直想搞清，为此沉思了10年。　　1896年爱因斯坦进入苏黎世联邦工业大学以后，继续思考着关于运动物体的光学特性的问题。对于当时物理学中流行的光是通过以太这种特殊的介质来传播的观点，一开始他也是毫不怀疑的。但他想，光通过以太的海洋传播那末地球也应是在以太中运动的，反过来说，以太应有相对于地球的运动。这应该可以通过实验来加以验证。因此他就去查阅有关这方面的资料。可是他查遍了他所能找到的物理学文献，都没有关于找到以太的明确的实验证据。于是他想亲自来验证一下。

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