愛因斯坦(7)_學達書庫

七

　　愛因斯坦受普朗克量子概念的啟示，在1905年的那篇著名的論文中，大膽提出了光量子假說。這源於他的一個思想，這就是世界統一性的思想。在他看來，在當時的物理理論中，物體是由一個一個原子組成的，是不連續的，而光（電磁波）卻是連續的。在原子的不連續性和光波的連續性之間有著令人不解的深刻矛盾。他不滿足於普朗克把能量的不連續性局限於輻射的吸收和發射的特殊性上。他相信光同原子一樣也有粒子性，光不僅在吸收和發射時是不連續的，而且光在空間的傳播也是不連續的，光就是以光速運動著的粒子流。按照他所提出的光量子假說，光是由光量子（後來簡稱光子）這種粒子組成的，光的能量是不連續的，同普朗克的能量子一樣，每個光量子的能量也是這一假說成功地解釋了光電效應，並給出了光電效應的愛因斯坦方程。這一方程給出了電子動能與光頻率之間的基本關係式，即：

　　光量子論提出後，幾乎遭到所有老一輩物理學家（其中也包括普朗克）的反對，一些年輕物理學家也無法接受。美國物理學家密立根起初也不相信光量子論，企圖以實驗來否定它。他花了10年功夫去檢驗愛因斯坦的光電效應公式，但實驗結果卻與他最初的願望相反。1915年他不得不斷言愛因斯坦光量子論的正確性，宣告他的實驗證實了愛因斯坦的光電效應公式，並由該公式精確地測定了h的值，這個結果與普朗克輻射公式給出的h值符合得很好。對光量子論的另一個有力的支持是美國物理學家康普頓的工作。1922—1923年間，康普頓研究了X射線經金屬或石墨等物質散射後的光譜。根據古典電磁理論，入射波長與散射波長應該相等。而康普頓的實驗卻發現，除有波長不變的散射外，還有大於入射波長的散射存在。這種波長改變的散射現象稱為康普頓效應。光的波動說無論如何也不能解釋這種效應。康普頓發現這種效應時也不相信光量子理論，經多方探索，他終於認識到這種效應只能用光量子論來解釋。康普頓效應被看成是光量子假說的判決實驗，被認為是光量子存在的確鑿證據。

　　光量子論的提出和證實，在某種意義上復活了光的微粒說，但這不是簡單地回到牛頓的發射論。愛因斯坦提出光量子論有著更深刻的思想，他認為光的粒子性和波動性都各自反映了光的本質的一個側面。1909年，愛因斯坦參加了德國自然科學家協會在薩爾斯堡舉行的大會，第一次會見了普朗克，並在會上作了「論我們關於輻射的本質和結構的觀點的發展」的報告。他論證說，未來的光學理論「可以認為是光的波動論和發射論的某種綜合」。愛因斯坦提出光量子論，賦予光以波粒二象性，把光的微粒說和波動說在一個更高的基礎上統一起來了。

　　愛因斯坦於1905年提出光量子論之後，1906年他又把量子概念擴充到物體內部粒子的振動上去，解決了低溫時固體的比熱同溫度變化的關係問題。1916年他所撰寫的論文《關於輻射的量子理論》，是量子論發展第一階段的理論總結。它從玻爾的原子結構假說出發，用統計力學的方法導出了普朗克的輻射公式。文中所提出的受激輻射理論，是本世紀60年代蓬勃發展起來的激光技術的理論基礎。1924年，法國物理學家德布羅意在愛因斯坦光量子理論和光的波粒二象性思想的啟發下，推廣了愛因斯坦在光量子理論中推出的公式（P為動量，λ為波長），提出了物質波理論。這是量子物理學發展中的一個重要成就，德布羅意因此榮獲了1929年的諾貝爾物理學獎。與此同時，當德布羅意物質波理論剛提出，愛因斯坦就用它來處理單原子理想氣體，同玻色一起建立了玻色—愛因斯坦量子統計理論。這些工作，促成了電子波的實驗證實，也推動了薛定諤波動力學的建立。

　　3.物理學上的時空革命

　　狹義相對論的創立

　　在愛因斯坦於1905年發表在德國《物理學雜誌》上的幾篇論文中，

　　《論動體的電動力學》是物理學中具有劃時代意義的歷史文獻。這篇論文宣告了相對論的創立。而相對論是愛因斯坦一生中最重要的科學貢獻。在這篇論文中，愛因斯坦提出了狹義相對性原理和光速不變原理，建立了狹義相對論。這一理論把牛頓力學作為低速運動理論的特殊情形包括在內，它揭示了作為物質存在形式的空間和時間在本質上的統一性，對空間和時間這樣一些基本概念作了本質上的變革；它深刻揭露了力學運動和電磁運動在運動學上的統一性，而且還進一步揭示了物質和運動的統一性。這一在物理理論上的根本突破，開闢了物理學的新紀元。

　　愛因斯坦狹義相對論思想的產生，最早源於他16歲時一直困擾著他的一個問題。在他1895年進入阿勞中學上學時，他已比與他同齡的中學生掌握了更多的物理方面的知識。他對探索自然奧秘有著無比濃厚的興趣，時常一個人靜靜地思考一些科學特別是物理學方面的問題。一天，他突然想到這樣一個問題：假如一個人以光速跟著光波跑，那末他就處在一個不隨時間而改變的波場之中。也就是說，應該看到這條光線就好像一個在空間振盪而停滯不前的電磁場。然而看來不會有這種事情。這個問題他一直想搞清，為此沉思了10年。

　　1896年愛因斯坦進入蘇黎世聯邦工業大學以後，繼續思考著關於運動物體的光學特性的問題。對於當時物理學中流行的光是通過以太這種特殊的介質來傳播的觀點，一開始他也是毫不懷疑的。但他想，光通過以太的海洋傳播那末地球也應是在以太中運動的，反過來說，以太應有相對於地球的運動。這應該可以通過實驗來加以驗證。因此他就去查閱有關這方面的資料。可是他查遍了他所能找到的物理學文獻，都沒有關於找到以太的明確的實驗證據。於是他想親自來驗證一下。

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