愛因斯坦對量子理論的貢獻.doc

愛因斯坦對量子理論的貢獻量子百年紀念文章高山在紀念量子百年“誕辰”的這一時刻，我們有理由回顧一下它的發(fā)現(xiàn)者們艱辛探索的歷程，這不僅是對他們的一種充滿深深敬意和感謝的緬懷，同時也可以使我們從中獲得進一步探索的勇氣和力量。本文我們將簡要介紹愛因斯坦對量子理論的貢獻。1901年 發(fā)表第一篇科學文章，關(guān)于毛細現(xiàn)象1905年 光量子假說1906年 固體比熱理論，指出普朗克量子假說的真實物理含義1909年 光的波粒二象性思想1916年 普朗克公式的重新推導，受激輻射理論1924年 玻色-愛因斯坦統(tǒng)計1925年 對德布羅意物質(zhì)波思想的支持，促使薛定諤建立波動力學1926年 開始探索通過統(tǒng)一場論來表述完備的量子理論1927年 最早注意到量子力學與相對論的不相容性，開始反對玻爾等人的哥本哈根解釋1935年 發(fā)表EPR文章，利用定域性假設(shè)論證量子力學的不完備性1952年 反對玻姆的隱變量理論愛因斯坦無疑是當代人最熟悉的科學家的名字，他幾乎成了科學家的神圣象征。最近，英國物理世界雜志評選出有史以來10位最杰出的物理學家，其中名列榜首的就是愛因斯坦。然而，盡管大多數(shù)人都知道愛因斯坦創(chuàng)立了相對論，但卻并不了解他也曾經(jīng)對量子理論做過同樣，甚至更大的貢獻。本文我們將主要介紹愛因斯坦對量子理論的貢獻。量子的真正發(fā)現(xiàn)者1900年，普朗克在對黑體輻射的研究中第一個猜測到量子的存在。這一年的12月14日，普朗克在德國物理學會會議上提出了能量量子化假說，根據(jù)這一假說，在光波的發(fā)射和吸收過程中，發(fā)射體和吸收體的能量變化是不連續(xù)的，能量值只能取某個最小能量元的整數(shù)倍。然而，在普朗克的分析中，他只是將能量量子化作為一種方便的計算手段，而并沒有賦予它真實的物理意義，更沒有意識到能量量子化與經(jīng)典力學及經(jīng)典電動力學基礎(chǔ)的根本背離。 在能量量子化假說提出之后，普朗克本人一直試圖利用經(jīng)典的連續(xù)概念來解釋輻射能量的不連續(xù)性。此時，是愛因斯坦最早認識到普朗克量子假說的非經(jīng)典特征，即能量的量子化假設(shè)與麥克斯韋電磁場理論是不相容的，并將這一假說大膽地應(yīng)用到物理學的其他領(lǐng)域中，如光電效應(yīng)（1905），固體比熱（1906），光化學現(xiàn)象(1912)，理想氣體的玻色-愛因斯坦統(tǒng)計（1924）等。為此，科學史家?guī)於魃踔翆垡蛩固?，而不是普朗克稱為量子的發(fā)現(xiàn)者。 此外，愛因斯坦第一個指出了普朗克推導中的邏輯不一致性（1906），即同時應(yīng)用能量的量子化假設(shè)和麥克斯韋的電磁場理論，并重新給出了普朗克輻射公式的純量子推導，在這一推導中，他只利用了光量子假設(shè)和玻爾的定態(tài)躍遷假設(shè)（1916）。光量子1905年，年青的愛因斯坦不僅意識到普朗克量子假說的革命性意義，而且還進一步發(fā)展了普朗克的能量子概念。這一年，愛因斯坦大膽地提出了光量子假說。愛因斯坦認為，能量子概念不只是在光波的發(fā)射和吸收時才有意義，光波本身就是由一個個不連續(xù)的、不可分割的能量量子所組成的。進一步地，利用普朗克的能量量子化公式，愛因斯坦還給出了光子的能量和動量表達式，即E=hv及P=h，式中h是普朗克恒量，v和依次是單位時間內(nèi)的振動次數(shù)和單位長度上的波數(shù)。利用這一光量子假說，愛因斯坦成功地解釋了經(jīng)典電磁場理論無法解釋的光電效應(yīng)等實驗現(xiàn)象。光量子假說是一個如此反傳統(tǒng)的假說，以至于在愛因斯坦提出之后幾乎沒有人相信它，量子理論的另兩位奠基人普朗克和玻爾都拒絕接受光量子概念。1915年，美國物理學家密立根在實驗上證明了愛因斯坦對于光電效應(yīng)的解釋是正確的，但他本人并不相信光量子的存在。直到1922年，康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)才最終令人信服地證實了光量子的真實存在，并使光量子概念開始為人們所接受。1926年，美國化學家劉易斯將光量子命名為光子（photon）。愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的解釋而獲得了1921年的諾貝爾獎，他晚年認為光量子概念是他一生中所發(fā)現(xiàn)的最具革命性的思想。物質(zhì)的波粒二象性愛因斯坦不僅最早將粒子特性賦予光波（1905），而且還最早將波特性賦予了理想氣體分子（1924），可以說，是愛因斯坦最早注意到了物質(zhì)的波粒二象性。由于波粒二象性被證明是自然界中一切物質(zhì)運動的最基本的量子特性，因此愛因斯坦的這一發(fā)現(xiàn)甚至比他的相對論更為重要。1909年，愛因斯坦嚴格證明了輻射，即光子具有波粒二象性，并指出了已被實驗驗證的普朗克輻射公式同時包含了輻射的這兩種對立的屬性。光的波粒二象性的發(fā)現(xiàn)也許是愛因斯坦對量子理論所做出的最大貢獻，它首次揭示了光的量子特性，即光不僅具有波動性，同時也具有粒子性。正是光的波粒二象性概念進一步引導德布羅意提出物質(zhì)波假說（1923），將光子的波粒二象性賦予了所有物質(zhì)粒子，并最終促使薛定諤建立了量子理論的波動力學形式（1926）。量子力學與相對論的不相容性1925-1926年間，量子力學大廈在物理學家們的共同努力下終于落成，然而作為主要奠基者的愛因斯坦并不滿意這個理論體系。在對量子力學的批判性的分析中，愛因斯坦最早注意到了量子力學與相對論的不相容性。1927年，愛因斯坦參加了在布魯塞爾舉行的第五屆索爾維會議，他在這次會議上第一次公開對量子力學發(fā)表意見。愛因斯坦在會后討論的發(fā)言中指出，如果量子力學是描述單次微觀實在過程的理論，則量子力學與相對性原理不相容。愛因斯坦的這一分析是關(guān)于量子力學與相對論的不相容性的最早認識。1935年，愛因斯坦在論證量子力學不完備性的EPR文章中，再一次揭示了量子力學的完備性同相對論的定域性假設(shè)之間存在矛盾。EPR文章促使人們對定域性假設(shè)的有效性進行了更加深入的研究，這些研究大大加深了人們對量子非定域性的認識。愛因斯坦一生都堅持定域性假設(shè)，并堅信量子力學是不完備的，在愛因斯坦看來，量子力學由于違反相對論而必然是錯誤的，至少是不完備的。量子力學需要完善在量子力學建立之后，愛因斯坦的貢獻主要在于指出了這一理論的不完備性，并督促人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)更完備的量子理論。同時，愛因斯坦本人一直試圖在新的基礎(chǔ)上重建完備的量子理論，他選擇了統(tǒng)一場論方向，并認為場論最終可以提供一個完備的量子理論。 愛因斯坦一生都堅持實在論，而反對具有實證論傾向的量子力學的哥本哈根解釋。愛因斯坦對哥本哈根解釋提出了很多反對意見，而玻爾等人正是通過分析這些反對意見才進一步完善了他們對量子力學的正統(tǒng)解釋。因此，愛因斯坦在很大程度上促進了量子力學解釋的不斷清晰和完善，同時，愛因斯坦對量子力學哥本哈根解釋的批判也一直在激勵人們?nèi)グl(fā)展更為完善的量子理論。這一貢獻的影響是最為深遠的，因為愛因斯坦所關(guān)心的量子問題至今依然存在，量子力學仍然沒有被真正理解，量子力學與相對論的不相容問題也仍然沒有得到解決。愛因斯坦于1905年創(chuàng)立了狹義相對論，于1915年建立了廣義相對論，然而，他一生的大部分時間都在思索量子的神秘本質(zhì)，并試圖建立一種更完備的量子理論。愛因斯坦晚年承認，“整整50年有意識的思考仍沒有使我更接近光