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爱因斯坦的物理学成就及影响

2015-04-19  3gzylon
爱因斯坦的物理学成就及影响


日期:2015-04-17 作者: 来源:文汇报
  • 图片说明:相对论手稿


  • 爱因斯坦的物理学成就及影响

      1905年3月,爱因斯坦发表了《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,解释了光的本质,他认为光是由分离的能量粒子(光量子)所组成,并像单个粒子那样运动,把1900年普朗克 (Max Planck,1858-1947)创立的量子论推进了一步,并为构成量子力学基石的微观粒子——光子的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。他用光量子概念轻而易举地解释了经典物理学无法解释的光电效应,推导出光电子的最大能量同入射光的频率之间的关系。这一关系10年后由美国实验物理学家罗伯特·爱德胡兹·密立根(Robert Andrews Millikan,1868-1953)的实验证实。爱因斯坦因为“光电效应定律的发现”这一贡献而获得了1921年度诺贝尔物理学奖。密立根也因为基本电荷和光电效应方面的实验研究而获得1923年度诺贝尔物理学奖。光电效应后来也成为光电子、光传感、LED、激光、光伏电池等诸多重要技术的基础。

      1905年4月,爱因斯坦完成了《分子大小的新测定法》(翌年他正是以这篇论文,取得了苏黎世大学的博士学位)。1905年5月11日,他发表了另一篇用布朗运动解释微小颗粒随机游走现象的论文《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》。这两篇论文的目的是通过观测由分子运动的涨落现象所产生的悬浮粒子的无规则运动,来测定分子的实际大小,以解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题。3年后,法国物理学家让·佩兰(Jean Baptiste Perrin,1870-1942)以精密的实验证实了爱因斯坦的理论预测,从而无可非议地证明了原子和分子的客观存在。爱因斯坦关于布朗运动中大量无序因子的规律性的研究成果,已成为当今金融数学的重要基础。

      1905年6月30日,爱因斯坦向《物理年鉴》提交了《论动体的电动力学》一文,首次提出了狭义相对论基本原理,并提出了两个基本公理:“光速不变”以及“相对性原理”。1905年9月27日,他又向《物理年鉴》提交了一篇短文《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,作为狭义相对论最重要的一个推论:“物体的质量可以度量其能量”,质量守恒原理和能量守恒定律应当相互融合,质能可以相互转化,并导出了E=mc2的公式。质能相当性是原子核物理学和粒子物理学的重要理论基础,也为20世纪40年代实现核能的释放和利用开辟了道路。

      1914年,爱因斯坦返回德国,进入普鲁士科学研究所从事科学研究,并兼任柏林大学教授。他坚信物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。即在处于均匀的恒定引力场影响下的惯性系中,所发生的一切物理现象,可以和一个不受引力场影响但以恒定加速度运动的非惯性系内的物理现象完全相同——广义等效原理;物理定律在所有非惯性系和有引力场存在的惯性系对于描述物理现象都是等价的——广义相对性原理。经过十年努力,1915年36岁的爱因斯坦完成了广义相对论的创建,并于1916年3月在德国《物理年鉴》第4系列第49卷上正式发表了《广义相对论基础》。论文由广义相对性原理及广义等效原理出发,得到新的引力场方程,并作出水星近日点进动、引力红移、光线在引力场中弯曲等三大预言。这些理论激怒了一直把牛顿力学奉为绝对真理的100名著名教授,他们联合发表声明:“爱因斯坦错了。”但爱因斯坦却幽默地回应道:“如果我错了,只要一个证明就已经足够,何须100个呢?”他计算的水星近日点进动值在扣除了其他行星的影响后应是每100年东移42.91″,与观测值43″十分吻合。光线在引力场中弯曲的预言,于1919年5月29日由英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington,1882-1944)和他的团队在西非普林西比岛观测日全蚀的结果所证实。1960年,哈佛大学的庞德(Robert Pound,1919-2010)、雷布卡(Glen Rebka,1931-)采用穆斯堡尔效应的实验方法,成功地验证了引力红移预言。引力红移效应对于宇宙学研究和操作全球定位系统等领域起着十分重要的作用。1916年爱因斯坦在时空理论中的另一个预言:在一个力学体系变动时必然发射以光速传播的引力波。由于引力波强度太弱而难以检测。但从1974年开始,美国两位射电天文学家赫尔斯(Russell A.Hulse,1950-)和小约瑟夫·泰勒 (Joseph H.Taylor,Jr,1941-)对新发现的一对射电脉冲双星进行连续4年的观测,终于从脉冲周期的变化推算出确实存在引力波。两人由此获得1993年度诺贝尔物理学奖。也是在1916年,爱因斯坦重回量子辐射研究。1917年他在《论辐射的量子性》一文中提出了受激辐射理论,成为激光的理论基础。1917年,爱因斯坦还根据广义相对论提出了宇宙学理论,认为宇宙在空间上是有限而无边界的,即自身是闭合的。这项研究使宇宙学摆脱纯粹猜测性的思辨,成为现代科学。后经众多天文学家和物理学家的共同努力,相继提出了宇宙膨胀理论和宇宙大爆炸理论,并已经得到了一系列天文观测的验证。

      爱因斯坦的后半生,除了继续量子力学的完备性、引力波以及广义相对论的运动问题研究外,主要致力于从事整合广义相对论及电磁学成为统一场论的探索。1937年,他在两位助手的帮助下,从广义相对论的引力场方程推导出运动方程,进一步揭示了空间-时间、物质、运动之间的统一性,这是广义相对论的重大发展,也是爱因斯坦在科学创造活动中取得的最后一项重大成果。但是在统一场论方面,他始终没有成功。然而在每次遭遇失败后,他从不气馁,都满怀信心地从头开始。由于他远离了当时物理学研究的主流,再加上在量子力学的解释问题上同当时占主导地位的哥本哈根学派针锋相对,晚年他在物理学界相对孤立。但他依然无所畏惧,毫不动摇地沿着他所认定的方向不倦探索。一直到临终前一天,他还在病床上继续他的统一场论的数学计算。他在1948年就曾经说过,“我完成不了这项工作,它或被遗忘,但是将来仍会被重新发现。”历史又一次印证了他的预言,由于20世纪七八十年代一系列实验有力地支持电弱统一理论,统一场论的思想以新的形式显示了它的生命力,为未来发展展现了新的希望。

      1955年4月18日,爱因斯坦因腹主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿,这位科学伟人走完了他光辉的一生。临终前他留下遗言:遗体由医学界处理,不举行葬礼,不建坟墓,不立纪念碑,骨灰由亲友秘密撒向天空,办公室和他的住宅不可成为供人“朝圣”的纪念馆。他衷心希望除了他的思想以外,其余一切都随他乘风而去。

      (作者为全国人大常委会原副委员长、中国科学院原院长)

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