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前面我们已经分享爱因斯坦的生平和他的相对论,
今天我们将继续跟大家分享——爱因斯坦和相对论
来自环球物理
这一节我们介绍爱因斯坦的量子理论。
本文节选自北大物理学教授秦克诚先生的《方寸格致》!
随着学术声誉的提高,爱因斯坦的境遇有所好转。1908年兼任伯尔尼大学无公俸讲师,1909年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授,1911年任布拉格德语大学教授,并被邀出席第一届索耳维物理学会议,1912年任母校苏黎世联邦工业大学教授。德国的物理学家们希望爱因斯坦能回到德国工作。为此,普朗克和能斯特于1913年亲自跑到苏黎世,向爱因斯坦提供优厚的条件,邀请他去柏林担任普鲁士科学院院士、拟建中的威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授,有开课的权利,没有讲课的义务。爱因斯坦在保留瑞士国籍的条件下接受了邀请。爱因斯坦于1914年4月去了柏林。
到柏林后,同年8月第一次世界大战爆发。他参加了公开和地下的反战活动。当时,为了对协约国谴责德国入侵中立国比利时作出反应,德国一些著名学者包括普朗克、伦琴、能斯特在内共93人,发表了一个为德国侵略暴行辩护的《文明世界的宣言》。爱因斯坦拒绝在这个宣言上签名,而在一个针锋相对的宣言《告欧洲人书》上签了名,是总共4名签名者之一。他是地下反战组织“新祖国同盟”的创始人之一,并且同著名法国作家、和平主义者罗曼罗兰保持着联系。连罗曼罗兰也惊讶于爱因斯坦对德国的批判的直率和大胆。1918年秋,德国战败,爆发了士兵起义和工人罢工,德皇被迫退位,成立了共和国,爱因斯坦为之欢欣鼓舞。
大战期间,爱因斯坦仍然没有间断他的科学研究。1915年到1917年这3年是爱因斯坦第二个科学创造高峰期。1916年除完成了广义相对论外,还发表论文《关于辐射的量子理论》,在玻尔的量子跃迁概念的基础上,进一步发展了光量子理论,提出了自发辐射和受激辐射这两种辐射形式和跃迁概率的概念,奠定了激光的理论基础。1917年他用广义相对论的结果研究宇宙的结构,开创了现代宇宙学。引进宇宙常数,相当于今天的暗能量。
广义相对论的一个可用实验检验的结论是太阳使经过它附近的光线偏转,广义相对论预言的偏转值是1.74″,而牛顿理论预言的偏转值是0.87″。图38-1示意性地画出这一偏转。上面的实线代表真实的光线,下面的虚线代表星星的视位置。1919年发生日全食,英国天文学家爱丁顿等人率两支观测队分赴西非的普林西比岛和巴西的索布拉耳两地观测,观测结果基本符合爱因斯坦的预言。这使爱因斯坦一夜之间世界闻名。
图38-1
1919年爱因斯坦整40岁,这是他一生中发生巨变的一年。日食观测的结果使爱因斯坦的声名大噪,他达到了他的科学活动的顶峰,并且受到公众注目。从这一年开始,他参加政治活动明显增多。在个人生活上,这一年他同他第一个妻子塞尔维亚人米列娃·马瑞奇离婚,同他的表姐爱尔莎结婚。应当说,爱因斯坦的两次婚姻都不成功。
授予爱因斯坦诺贝尔奖已不能再回避了,可是授给爱因斯坦诺贝尔奖的过程却一波三折。从1909年奥斯特瓦尔德提名爱因斯坦为1910年诺贝尔奖候选人起,几乎年年都有著名科学家提名爱因斯坦,而且提名者越来越多,但是每次都没有通过。在因为相对论而被提名时,评奖委员会的意见是实验还不足以证明相对论的正确性;而在有人提议因爱因斯坦在布朗运动方面的工作授予他诺贝尔奖时,委员会又认为爱因斯坦在统计物理方面的论文不像他在相对论和量子物理学方面的工作那样突出,因而“如果爱因斯坦因统计物理学……而不是因为其他主要论文而获奖,那会让学术界感到奇怪”。拖延给爱因斯坦授奖的原因之一,是当时德国社会上的一股反相对论的潮流。由于爱因斯坦一贯的反战立场和犹太人出身,也由于他在日食观测后声名鹊起,他成了战败的德国一小撮人嫉恨的目标。他们建立了一个组织(爱因斯坦蔑称之为“反相对论公司”),疯狂攻击他们不懂的相对论。参与攻击的不仅有无名政客和三流物理学家,还有像勒纳德和斯塔克这样的诺贝尔物理奖获奖人。他们甚至声称,如果授予爱因斯坦诺贝尔奖,就要退回自己的得奖。因此,瑞典科学院被夹在赞成和反对给爱因斯坦授奖两股巨大压力之中。1921年诺贝尔物理奖就因为意见不一暂时没有评出。1922年,推荐爱因斯坦的人更多。普朗克建议把1921年和1922年的奖分别授予爱因斯坦和1922年,推荐爱因斯坦的人更多。普朗克建议把1921年和1922年的奖分别授予爱因斯坦和玻尔,瑞典乌普萨拉大学的理论物理学教授奥席恩则因为光电效应而提名爱因斯坦,评奖委员会最后按这个意见通过。瑞典科学院秘书在给爱因斯坦的信中特别声明:“王国科学院决议授予您上年度的诺贝尔物理学奖,以表彰您在理论物理学中的工作,特别是在光电效应规律方面的发现,但是没有考虑您的相对论和引力理论一旦得到证实所应得到的评价。”可以看出,瑞典科学院这个决定是考虑了各种矛盾之后的一个妥协,它避开了相对论这个热点。但是,60年后瑞典发行的诺贝尔奖邮票图38-2上印的仍是E = mc2这个公式。爱因斯坦获奖后,按照他的承诺,把奖金都给了米列娃。
图38-2
后来没有给爱因斯坦再度颁发诺贝尔奖。但是不少物理学家认为,爱因斯坦有资格至少拿5次诺贝尔奖。他的以下工作都有得奖资格:光量子假说(光电效应理论),布朗运动理论,狭义相对论,E =mc2,广义相对论,激光理论,凝聚态物理(固体比热理论及磁学)。
爱因斯坦是量子理论的创建者之一。普朗克、爱因斯坦和玻尔是量子理论的三大先驱,代表量子理论的三个阶段:普朗克提出能量子概念,爱因斯坦发现光量子,玻尔将量子概念用于物质结构。他们得诺贝尔物理奖的先后次序也与这个次序一致。葡萄牙2000年发行20世纪回顾邮票用他们三人代表20世纪的物理学,这意味着量子理论是20世纪物理学发展的主线。但是,爱因斯坦对后来的量子力学是不满意的。他承认量子力学在解决实际问题中的重要作用,但不同意量子力学的概率解释,他说:“上帝不丢骰子”。在他看来,量子力学的概率特征是其理论不完备的表现,由此开始了他和玻尔之间毕生的争论。爱因斯坦比玻尔大6岁,两人是很好的朋友。
1924年,他建立了玻色—爱因斯坦统计,并从玻色—爱因斯坦气体的统计涨落的分析,论述了波与物质的关系不是光所特有的;又热烈支持德布罗意的物质波假说,为波粒二象性
的发现和量子理论作出了重大贡献。
今天就先跟大家分享到这里,明天我们继续为大家分享——一一个伟大而又全面多才的爱因斯坦
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