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| 中外科学家发明家丛书：爱因斯坦 （三） | 发布于:2014/01/10 | |
| 三、物理学上的伟大革命 “1905年是革命的一年。物理学发生了革命，诞生了相对论。” 在这一年，来比锡出版的《物理学纪事》杂志上发表了三篇论文，作者 是同一个人——阿·爱因斯坦。一篇是讨论布朗运动的，用最有力的的证据 证明了分子的存在，它的作者在物理学史上占有光荣的一页。一篇是发展普 朗克的量子论，提出了光量子假设，它的作者将因此获得科学界的最高奖赏 ——诺贝尔奖金。第三篇就是 《论动体的电动力学》。这是相对论的第一篇 论文。它开创了物理学的新纪元，它的作者的名字是和牛顿并列的。 人们往往以为，爱因斯坦仅仅是相对论的创始人。但是，从科学史角度 来看，这种评价是错误的，就他在物理学其它方面的伟大贡献而言，也是不 公正的。“相对论之父”爱因斯坦的的确确是一位出类拔萃的多学科的理论 研究家。从时间顺序上看，最早的研究工作是分子物理学。 爱因斯坦关于热运动的主要研究内容，是用统计方法分析原子、分子运 动问题以及研究运动和热之间的关系问题。在这方面，爱因斯坦的工作超过 了奥地利物理学家玻尔兹曼和美国科学家吉布斯的研究结果，他在物理学方 面的探索深度胜过数学的论证。同时，在玻尔兹曼的思想引导下，他把概率 作为热学的数学演算基础。 所有这些问题，都是爱因斯坦单独研究出来的，以致有人曾对玻恩说过， “统计力学方面所有具有重要特点的新发现”全是爱因斯坦搞出来的。这位 年轻的研究家研究分子物理学的明确意图是想借助于可靠的结果，为他坚信 的原子论的正确性提供论据，因为当时原子论还处在争论不休之中。 关于热学研究，爱因斯坦的中心工作是分子的布朗运动。1827年，英国 植物学家布朗在显微镜下观察，发现液滴中浸泡的花粉粒子在不停地作不规 则运动。后来，以发现者的名字把这种粒子的乱动称之为布朗运动。粒子越 小，液体温度越高，运动就越激烈。 几十年来，无数学者为解释这种现象的奥秘，做了种种徒劳的努力。早 在爱因斯坦前20年的19世纪80年代，某个法国物理学家曾经揣测，布朗运 动是由于悬浮粒子受到显微镜下观察不到的液体分子的不规则碰撞所造成。 这种富于想像的解释，不仅缺少数学基础，而且没有任何的实验证明。 在《分子热运动论所要求的平静液体中悬浮粒子的运动》一文中，爱因 斯坦以统计方法论证了悬浮粒子的运动速度及其颗粒大小与液体的粘滞系数 之间存在着可用实验检验的数量关系。 爱因斯坦对于以前布朗运动方面的工作并不了解，他把显微镜下可见粒 子的运动看作是显微镜下看不到的液体分子运动的表征。他用统计方法解释 了在他之前波兰物理学家斯莫鲁科夫斯基论证过的这种现象，并且作出数学 表述。1908年，法国物理学家佩兰通过实验完全证实了“布朗运动的爱因斯 坦定律”。由于这项工作，佩兰荣获了1926年诺贝尔奖金。 爱因斯坦关于分子物理学的研究证明了下述观点是正确的，即热是能量 的一种形式，它是由不规则的分子运动所引起。同时，还使原子论得到了充 实，即从物理意义上说来，“物质”是由分子和原子构成。 根据爱因斯坦提出的测定分子体积方法，加上关于布朗运动的公式，能 够数出分子的数目。过去，物理学一直依赖奥地利物理学家格施米德发明的 近似方法，而现在可以根据爱因斯坦的理论，用精确的数学方法进行计算了。 爱因斯坦对于热运动的研究，除了对专业学科十分重要以外，还在认识 论上具有重大意义。它说明，某些自然科学家否定和怀疑原子论是没有道理 的，爱因斯坦对分子观念的证明是令人信服的，以至连马赫和另一位原子论 的坚决反对者奥斯瓦尔德也声明“改信原子学说”了。爱因斯坦对原子论的 胜利作了决定性的贡献，这也是他在科学上最伟大的贡献之一。他不愧为是 古代伟大唯物主义者德漠克利特、伊壁鸠鲁和卢克莱茨的天才继承人。 爱因斯坦对于布朗运动的理论研究，成功地继承了过去分子物理学的工 作，并使它获得完满结果。他在光学理论方面的研究工作是同已经取得的发 现分不开的。不过，这一研究工作，一开始就具有革命性：它意味着是科学 发展上的一次飞跃。 1905年，爱因斯坦的第一篇著作《有关光的产生和转化的一个试探性观 点》问世了。在以后的几年中，他还发表了几篇有关量子物理学的论文。 在光的新理论里，爱因斯坦以普朗克1900年提出的假设为基础，认为在 热辐射过程中能量的放出和吸收都是以不连续方式进行；能量的最小数值叫 量子，它的数值取决于基本作用量h——普朗克常数。每次放出和吸收的辐 射能都是这个数值的整数倍。 普朗克的这一发现与当时普遍认为正确的光的波动理论是毫不相容的。 光的波动说认为光是以波动状态连续传播的。19世纪初，这一学说战胜了牛 顿的微粒说。后来，麦克斯韦和赫兹还在实验和理论上证实了这个学说。 普朗克希望通过分析热辐射，能够解开热学和电磁学之间联系的奥秘。 他想通过自己的研究，将物理学中这两个领域统一起来。突然，他当时面临 一个事实，发现某些辐射过程具有不连续的量子特性，这一点无法纳入经典 物理学世界观中去。由于在学术上，普朗克的基本态度是保守的，因此普朗 克坚持不懈地企图寻求某种方法和途径把他获得的认识与经典假设调和起 来。不过，事实证明是行不通的。 爱因斯坦在思想方法上没有任何保守性，他很少顾及权威和因袭的教 条，因而进一步发展了普朗克的思想，迈出了勇敢的第一步。他认识到，正 确运用普朗克假设之后，光的学说便焕然一新：虽然光是在空间连续传播的 一种波动现象，但光能只集中于特定地点，产生物理作用。因此，光具有不 连续的颗粒特性，它可以是一束光量子，即“光子”。 爱因斯坦的光量子学说，以最简练的方式阐明了“光电效应”，这种效 应的基础是光与电子之间进行能量交换。这样便解释了光束打到金属上时， 能把电子从其表面拉出来。这些电子在脱离金属表面之后的动能，与光源的 强度无关，而完全取决于其颜色，在紫外光的情况下，电子的功能最大。 1886年，赫兹发现了这个现象，尽管许多物理学家对此作过进一步的深 入研究，但是运用光的波动学说无论如何也解释不清。然而，借助爱因斯坦 的光量子理论却可以把光电效应阐述得清楚。紫外光是由能量高的光子，亦 即冲击力大的光粒子构成，而红光是由能量较低的光量子构成，所以紫外光 打出的电子比红光打出的电子的功能要大。 十年之后，美国实验物理学家密立根的研究证明，爱因斯坦对于光电效 应的解释是正确的。“康普顿效应”是以发现者的名字命名的一种散射现象， 这是波长极短的X射线跟原子中结合得很松散的电子发生作用时产生的一种 现象。1923年，这一效应证实了光子的实在性，给人的印象极为深刻，从此 以后光量子学说成为现代物理学的当然组成部分。 |
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