愛因斯坦傳(24)_學達書庫

二四

　　愛因斯坦關於分子物理學的研究證明了下述觀點是正確的，即熱是能量的一種形式，它是由不規則的分子運動所引起。同時，還使原子論得到了充實，即從物理意義上說來，「物質」是由分子和原子構成。

　　根據愛因斯坦提出的測定分子體積方法，加上關於布朗運動的公式，能夠數出分子的數目。過去，物理學一直依賴奧地利物理學家格施米德發明的近似方法，而現在可以根據愛因斯坦的理論，用精確的數學方法進行計算了。

　　愛因斯坦對於熱運動的研究，除了對專業學科十分重要，還在認識論上具有重大意義。它說明，某些自然科學家否定和懷疑原子論是沒有道理的，愛因斯坦對分子觀念的證明是令人信服的，以至連馬赫和另一位原子論的堅決反對者奧斯瓦爾德也聲稱「改信原子學說」了。關於這一點，愛因斯坦在《自述》中說得很清楚：

　　「在那些年代裡，我自己的興趣主要不在於普朗克的成就所得出的個別結果，儘管這些結果可能非常重要。我的主要問題是：從那個輻射公式中，關於輻射的結構，以及更一般地說，關於物理學的電磁基礎，能夠得出什麼樣的普遍結論呢？在我深入討論這個問題之前，我必須簡要地提到關於布朗運動及有關課題（起伏現象）的一些研究，這些研究主要是以古典的分子力學為根據的。在不知道玻爾茲曼和吉布斯的已經發表而且事實上已經把問題徹底解決了的早期研究工作的情況下，我發展了統計力學，以及以此為基礎的熱力學的分子運動論。在這裡，我的主要目的是要找到一些事實，盡可能地確證那些有確定的有限大小的原子的存在。這時我發現，按照原子論，一定會有一種可以觀察到的懸浮微粒的運動，而我並不知道，關於這種『布朗運動』的觀察實際上早已是人所共知的了。

　　最簡單的推論是以如下的考慮為根據的。如果分子運動論原則上是正確的，那麼那些可以看得見的粒子的懸浮液就一定也像分子溶液一樣，具有一種能滿足氣體定律的滲透壓。這種滲透壓同分子的實際數量有關，亦即同一克當量中的分子個數有關。如果懸浮液的密度並不均勻，那麼這種滲透壓也會因此而在空間各處有所不同，從而引起一種趨向均勻的擴散運動，這種擴散運動可以從已知的粒子遷移率計算出來。但另一方面，這種擴散過程也可以看作是懸浮粒子因熱騷動而引起的、原來不知其大小的無規則位移的結果。通過把這兩種考慮所得出的擴散通量的數值等同起來，就可以定量地得到這種位移的統計定律，也就是布朗運動定律。

　　這些考察同經驗的一致，以及普朗克根據輻射定律（對於高溫）對分子的真實大小的測定，使當時許多懷疑論者（奧斯瓦爾德、馬赫）相信了原子的實在性。這些學者之所以厭惡原子論，無疑可以溯源於他們的實證論的哲學觀點。這是一個有趣的例子，它表明即使是有勇敢精神和敏銳本能的學者，也可以因為哲學上的偏見而妨礙他們對事實作出正確解釋。這種偏見——至今還沒有滅絕——就在於相信毋須自由的概念構造，事實本身就能夠而且應該為我們提供科學知識。這種誤解之所以可能，只是因為人們不容易認識到，經過驗證和長期使用而顯得似乎同經驗材料直接相聯繫的那些概念，共實都是自由選擇出來的。」

　　愛因斯坦對於布朗運動的理論研究，成功地繼承了過去分子物理學的工作，並使它獲得完滿結果。他在光學理論方面的研究工作是同已經取得的發現分不開的。不過，這一研究工作，一開始就具有革命性：它意味著科學發展史上的一次「飛躍」。

　　1905年，愛因斯坦的第一篇著作《有關光的產生和轉化的一個試探性觀點》問世了。在以後的幾年中，他還發表了幾篇有關量子物理學的論文。

　　在光的新理論中，愛因斯坦以普朗克1900年提出的假設為基礎，認為在熱輻射過程中能量的放出和吸收都是以不連續方式進行；能量的最小數值叫量子，它的數值取決於基本作用量h——「普朗克常數」。每次放出和吸收的輻射能都是這個數值的整數倍。

　　普朗克的這一發現與當時普遍認為正確的光的波動理論是不相容的。光的波動學說認為光是以波動狀態連續傳播的。19世紀初，這一學說戰勝了牛頓的微粒說。後來，麥克斯韋和赫茲還在實驗和理論上證實了這個學說。

　　普朗克希望通過分析熱輻射，能夠解開熱學和電磁學之間聯繫的奧秘。他想通過自己的研究，將物理學中這兩個領域彼此不相矛盾地統一起來。突然，他當時面臨一個事實，發現某些輻射過程具有不連續量子的特性，這一點無法納入經典物理學世界觀中去。由於在學術上，普朗克的基本態度是保守的，因此普朗克堅持不懈地企圖尋求某種方法和途徑把他獲得的認識與經典假設調和起來。不過，事實證明是行不通的。

　　愛因斯坦在思想方法上沒有任何保守性，他很少顧及權威和因襲的教條，因而進一步發展了普朗克的思想，邁出了勇敢的第一步。他認識到，正確運用普朗克假設之後，光的學說便煥然一新：雖然光是在空間連續傳播的一種波動現象，但光僅能集中於特定地點，產生物理作用。因此，光具有不連續的顆粒特性，它可以是一束光量子，即「光子」。

　　愛因斯坦用下面的比喻解釋過光子假說和普朗克理論的相互關係：「如果啤酒總是裝在可容一品脫的瓶子裡出售，由此完全得不出啤酒是由等於一品脫的不可分割的部分所組成的結論。」

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