愛因斯坦的科學(xué)貢獻

1、愛因斯坦對科學(xué)的貢獻量子論1905 年 3 月寫的論文關(guān)于光的產(chǎn)生和 轉(zhuǎn)化的一個推測性的觀點 ，把普朗克 1900 年 提出的量 子概念擴充到光在空間中的傳播， 提出光量子假說， 認 為： 對于時間平均值 （即 統(tǒng)計的平均現(xiàn)象） ，光表現(xiàn)為 波動；而對于瞬時值（即漲落現(xiàn)象） ，光則表現(xiàn)為粒子。 這 是歷史上第一次揭示了微觀客體的波動性和粒子性的 統(tǒng)一，即波粒二象性。以后的物理學(xué) 發(fā)展表明：波粒二 象性是整個微觀世界的最基本的特征。這篇論文還把 L. 玻耳茲曼提出 的“一個體系的熵是它的狀態(tài)的幾率的函 數(shù)”命名為 “玻耳茲曼原理 ”。在論文的結(jié)尾，他用 光 量子概念輕而易舉地解釋了光電現(xiàn)象，推導(dǎo)

2、出光電子的 最大能量同入射光的頻率之間 的關(guān)系。這一關(guān)系 10 年后 才由 R.A. 密立根予以實驗證實。 “由于他的光電效應(yīng)定 律的發(fā) 現(xiàn)”，愛因斯坦獲得了 1921 年的諾貝爾物理學(xué)獎。分子運動論1905 年 4 月、 5 月和 12 月他寫了 3 篇關(guān) 于液體中懸浮粒子運動的理論。這種運動系英 國植物學(xué) 家R.布朗于1827年首先發(fā)現(xiàn)，稱為布朗運動。愛因斯坦 當(dāng)時的目的是要通過觀 測由分子運動的漲落現(xiàn)象所產(chǎn)生 的懸浮粒子的無規(guī)運動， 來測定分子的實際大小， 以解 決 半個多世紀來科學(xué)界和哲學(xué)界爭論不休的原子是否存 在的問題。 3 年后,法國物理學(xué)家 J.B. 佩蘭以精密的實驗 證實了愛因

3、斯坦的理論預(yù)測。這使當(dāng)時最堅決反對原子論的德國化學(xué)家、唯能論”的創(chuàng)始者F.W.奧斯特瓦爾 德于1908年主動宣布： 原子假說已成為一種基礎(chǔ) 鞏固 的科學(xué)理論。創(chuàng)新紀元的狹義相對論1905 年 6 月愛因斯坦寫了 一篇開創(chuàng)物理學(xué)新紀元的長論文論動體的電動力學(xué) ， 完 整地提出狹義相對性理論。這是他 1 0年醞釀和探索的 結(jié)果，它在很大程度上解決了 19世 紀末出現(xiàn)的古典物理 學(xué)的危機，推動了整個物理學(xué)理論的革命。為了克服新實驗事實同舊理論體系之間的矛盾，以洛倫茲為代表的 老一輩物理學(xué)家采取修補漏洞的辦法，提出名 目眾多的 假設(shè)，結(jié)果使舊理論體系更是捉襟見肘。愛因斯坦則認為出路在于對整個理論基礎(chǔ)進

4、行根本性的變革。 他從自 然界的統(tǒng)一性的信念出發(fā)， 考察了這樣的問題： 牛頓力 學(xué) 領(lǐng)域中普遍成立的相對性原理（力學(xué)定律對于任何慣性系是不變的） ，為什么在電動力學(xué)中卻不成立？而根 據(jù) M. 法拉第的電磁感應(yīng)實驗，這種不統(tǒng)一性顯然不是現(xiàn) 象所固有的， 問題一定在于古典物理理論基礎(chǔ)。他吸取了經(jīng)驗論哲學(xué)家D.休謨對先驗論的批判和 E.馬赫 對 I. 牛 頓的絕對空間與絕對時間概念的批判，從考察兩個在空間上分隔開的事件的 “同時性”問題入手，否定了沒有 經(jīng)驗根據(jù)的絕對同時性，進而否定了絕對時間、絕對空間，以及“以太 ”的存在，認為傳統(tǒng)的空間和時間概念 必須加以修改。他把伽利略發(fā)現(xiàn)的力學(xué)運動 的相對性

5、這 一具有普遍意義的基本實驗事實，提升為一切物理理論都必須遵循的基本原理；同時又把所有 “以太漂移 ”實 驗所顯示的光在真空中總是以一確定速度 傳播這一基 本事實為提升為原理。要使相對性原理和光速不變原理同時成立，不同慣性系的坐標之間的變換就不可能再是 伽利略變換，而應(yīng)該是另一種類似于洛倫茲于 1904 年發(fā) 現(xiàn)的那種變 換。事實上，愛因斯坦當(dāng)時并不知道洛倫茲 1904 年的工作，而且兩人最初所提出的變換形 式只有在 /的一次幕上才是一致的；現(xiàn)在所說的洛倫茲變換，實質(zhì)上是指愛因斯坦的形式。對于洛倫茲變換， 空間和時 間長度不再是不變的， 但包括麥克斯韋方程組在內(nèi)的一 切 物理定律卻是不變（即協(xié)

6、變）的。原來對伽利略變換 是協(xié)變的牛頓力學(xué)定律，必須加以改 造才能滿足洛倫茲 變換下的協(xié)變性。這種改造實際上是一種推廣，是把古典力學(xué)作為相 對論力學(xué)在低速運動時的一種極限情況。 這樣，力學(xué)和電磁學(xué)也就在運動學(xué)的基礎(chǔ)上統(tǒng)一 起來。質(zhì)能相當(dāng)性1905 年 9月，愛因斯坦寫了一篇短文 物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？ ，作為相 對論 的一個推論，揭示了質(zhì)量（和能量（的相當(dāng)性：口=并由此解釋了放射性元素（如鐳）所以能釋放出大量能量的原因。質(zhì)能相當(dāng)性是原子核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，也為 40 年代實現(xiàn)的核能的釋放和利用開辟了 道路。 量子論的進一步發(fā)展 愛因 斯坦的光量子論的提出，遭到幾乎所有老一

7、輩物理學(xué)家的反對，甚至連最初提出量子概念并第一個熱情支持狹義相對論的普朗克， 直至 1913 年還鄭重其事地認為這是愛因斯坦的 一個“失誤”。盡管如此，愛因斯坦還是孤軍奮戰(zhàn)，堅持不懈地發(fā)展量子理論。 1906 年他把量子概念擴展到物體內(nèi)部的振動上， 基本上說明了低溫條件下固體的比熱容同溫度間的 關(guān)系。 1912年他把光量子概念用于光化學(xué)現(xiàn)象，建立了光化學(xué) 定律。 1916 年他發(fā)表了一 篇綜合了量子論發(fā)展成就的論 文關(guān)于輻射的量子理論，提出關(guān)于輻射的吸收和發(fā) 射過 程的統(tǒng)計理論，從 N.玻爾1913年的量子躍遷概念，推 導(dǎo)出普朗克的輻射公式。 論文中提出的 受激發(fā)射概念， 為 60 年代蓬勃發(fā)

8、展起來的激光技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。在光量子論所揭示的波粒二象性概念的啟發(fā)下，于1923年L.V.德布羅意提出物質(zhì)波理論。這一理論首先得 到愛因斯坦的熱情支持。不僅如此，當(dāng)1924年他收到印 度青年物理學(xué)家 S.玻色關(guān)于光量子統(tǒng)計理論的論文時， 立即把它譯成德文推薦發(fā)表，并且把這理論同物質(zhì)波概念結(jié)合起來，提出單原子氣體的量子統(tǒng)計理論。這就是 關(guān)于整數(shù)自旋粒子所服從的玻色愛因斯 坦統(tǒng)計（見量 子統(tǒng)計法）。受愛因斯坦這項工作的啟迪，E.薛定諤把 德布羅意波推廣到束縛粒子，于佃26年建立了波動力學(xué)（見表象理論、量子力學(xué)）。因此美國物理學(xué)家 A.派斯認為，愛因斯坦不僅是量子論的三元老（指普朗克、愛因斯坦和

9、N.坡爾）之一,而且是波動力學(xué) 唯一的教父?！?M.玻恩也認為，在征服量子現(xiàn)象這片荒原的斗爭中，他 是先驅(qū)”，也是 我們的領(lǐng)袖和旗手”。廣義相對論的探索 等效原理狹義相對論建立后， 愛因斯坦并不感到滿足，力圖把相對性原理的適用范圍推廣到非慣性系。他從伽利略發(fā)現(xiàn)的引力場中一切物體 都具有同一加速度（即慣性質(zhì)量同引力質(zhì)量 相等）這一 古老實驗事實找到了突破口，于 1907 年提出了等效原理： “引力場同參照系 的相當(dāng)?shù)募訌姸仍谖锢砩贤耆葍r?！辈⑶矣纱送普摚涸谝鲋校娨叩每?，光波波長要變化，光線要彎曲。在這一年，他大學(xué)時的老師、著名幾何學(xué)家H.閔可夫斯基提出狹義相對論的四維空間表示 形式，為

10、相對論進一步發(fā)展提供了有用的數(shù)學(xué)工具，可惜愛因斯坦當(dāng)時并沒有認識到它的價值而加以利用。繼續(xù)探索的曲折歷程等效原理的發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦 認為是他一生最愉快的思索， 但以后的工作卻十分艱苦， 并 且走了很大的彎路。 1911 年，他根據(jù)等效原理和惠更斯 原理，推算出光線經(jīng)過太陽附近的 偏轉(zhuǎn)值為口 1912年初，他分析了剛性轉(zhuǎn)動圓盤，意識到在引力場中歐幾里得幾何并不嚴格有效。同時他還發(fā)現(xiàn)：洛倫茲變換不 是普適的，需要尋求更普遍的變換關(guān)系；為了保證 能量 -動量守恒 ，引力場方程必須是非線性的；等效原理只對無限小區(qū)域有效。他意識到大學(xué)時學(xué)過的高斯曲面理論 對建立引力場方程該會有用，但由于不熟悉這套數(shù)學(xué)工具

11、，一時無從下手。1912 年 10月他離開布拉格回到蘇黎世母校工作。在 他的同班同學(xué)、當(dāng)時在母校任數(shù)學(xué)教授的 M.格羅斯曼的幫助下，他學(xué)習(xí)了黎曼幾何和 G.里奇與T.勒維-契維塔的 絕對微分學(xué) （即張量分析 ） 。經(jīng)過一年奮力合作，他們于1913 年發(fā)表了重要論文廣義 相對論綱要和引力理論 ， 提出了引力的度規(guī)場理論。在這里，用來描述引力場的 不是標 量，而是度規(guī)張量，即要用 10 個引力勢函數(shù)來確 定引力場。這是首次把引力和度規(guī)結(jié)合 起來，使黎曼幾 何獲得實在的物理意義?？墒撬麄儺?dāng)時得到的引力場方 程只對線性變換 是協(xié)變的，還不具有廣義相對性原理所 要求的任意坐標變換下的協(xié)變性。這是由于愛因

12、斯 坦當(dāng) 時不熟悉張量運算，錯誤地認為，只要堅持守恒定律， 就必須限制坐標系的選擇， 為了維護因果性原理，不得 不放棄普遍協(xié)變的要求?？茖W(xué)成就的第二個高峰在 1915 年到 1917 年的 3 年 中是愛因斯坦科學(xué)成就的第二個高峰時期， 類似于 1905 年， 他也在三個不同領(lǐng)域中分別取得了歷史性成就。除 了 1915 年最后建成了被公認為人類思 想史中最偉大的成 就之一的廣義相對論以外， 1916 年在輻射量子論方面又 作出了如前所 述的重大突破， 1917 年又開創(chuàng)了現(xiàn)代科學(xué) 的宇宙學(xué)。 廣義相對論的建成 放棄普遍 協(xié)變要求的失誤， 使 愛因斯坦繼續(xù)走了兩年多的彎路 ,直到 1915 年

13、7 月以后對 此失誤才逐 漸有所認識。回到普遍協(xié)變的要求后，1915 年 10 月到 11 月他集中精力探索新的引力場方程，于 11月 4日、 11日、 18日和 25日一連向普魯士科學(xué)院提交了 4篇 論文。在第一篇 論文中他得到了滿足守恒定律的普遍協(xié) 變的引力場方程（見廣義相對論） ，但加了一個不 必要 的限制 ,那就是只允許幺模變換。第三篇論文中,根據(jù)新 的引力場方程，推算出光線經(jīng)太陽表面所發(fā)生的偏折應(yīng)當(dāng)是口，比以前的值大一倍；同時還推算出水星近日點每100年的剩余進動值是43口同觀測結(jié)果完全一致，完 滿地解決了 60多年來天文學(xué)一大難題，這給愛因斯坦以 極大的鼓舞。 1915年 11月

14、25日的論文引力的場方程 中，他放棄了對 變換群的不必要限制，建立了真正普遍 協(xié)變的引力場方程，宣告 “廣義相對論作為一種邏 輯結(jié) 構(gòu)終于完成了 ”與此同時，德國數(shù)學(xué)家D.希耳伯特于1915年11月20日在格丁根也 獨立地得到了普遍協(xié)變的引 力場方程。 1916年春天， 愛因斯坦寫了一篇總結(jié)性的論 文廣 義相對論的基礎(chǔ) ；同年底，又寫了一本普及性 小冊子狹義與廣義相對論淺說 。引力波愛因斯坦于 1916年 3月完成廣義相對論的 總結(jié)以后， 6月研究引力場方程的近似積分 , 發(fā)現(xiàn)一個力 學(xué)體系變化時必然發(fā)射出以光速傳播的引力波。他指出，原子中沒有輻射的穩(wěn)定軌道的存在，無論從電磁觀點還 是從引力觀

15、點來看 ,都是神秘的 ,因此， “量子論不僅要 改造麥克斯韋電動力學(xué)，而且也要改造新的引力理論 ”。 秋天，當(dāng)他回到量子輻射問題時， 他就本著這一意圖提 出自發(fā)躍遷和受激躍遷概念，并給出普朗克輻射公式的新推導(dǎo)。引力波的存在曾引起一些科學(xué)家的異議，愛因 斯坦后來多次對它的存在和性質(zhì)進行探討。由 于引力波 強度太弱，難以檢測，長期未引起人們注意。 60 年代開 始，檢測引力波的實驗 逐漸形成熱潮， 但都沒有達到檢 測所要求的最低精度。 通過對 1974年發(fā)現(xiàn)的射電脈沖雙 星 PSR1913+16 的周期變化進行了 4年的連續(xù)觀測 ,1979年 宣布間接證實了引力波的存在。宇宙學(xué)的開創(chuàng)1917 年愛

16、因斯坦用廣義相對論的結(jié) 果來研究整個宇宙的時空結(jié)構(gòu)，發(fā)表了開創(chuàng)性論文 根 據(jù)廣義相對論對宇宙學(xué)所作的考查 。論文分析了 “宇 宙在空間上是無限的 ”這一傳統(tǒng) 觀念，指出它同牛頓引 力理論和廣義相對論引力論都是不協(xié)調(diào)的；事實上人們無法為引力場方程在空間無限遠處給出合理的邊界條件。他認為，可能的出路是把宇宙看作是一個“具有有限空 間（三維的）體積的自身閉合的連續(xù)區(qū) ”。以科學(xué)論據(jù) 推論宇宙在空間上是 有限無界的，這在人類歷史上是一 個大膽的創(chuàng)舉，使宇宙學(xué)擺脫了純粹猜測性的思辨，進入現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域， 是宇宙觀的一次革命。 根據(jù)當(dāng)時天文 觀測到的星的速度都很小這一事實， 愛因斯坦認為物質(zhì) 的分布是準靜態(tài)

17、的 ,為了保證這一條件 ,他在引力場中引 進了一個未知 的普適常數(shù)（宇宙學(xué)項） 。在這期間，同 愛因斯坦頻繁通信的荷蘭天文學(xué)家W. 德西特提出平均物 質(zhì)密度為零的另一種宇宙模型。 1922 年蘇聯(lián)物理學(xué)家 A. A. 弗里德曼指出宇宙學(xué)項 是沒有必要的，由此，從愛因 斯坦原來的結(jié)果就直接得出物質(zhì)密度不為零的膨脹宇宙 模 型。當(dāng)時愛因斯坦并不贊同，但一年后公開撤回自己 錯誤的批評意見，承認弗里德曼的理 論是正確的。 由于 1929 年河外星系光譜線紅移的發(fā)現(xiàn)， 宇宙膨脹理論得到 了有力的支持， 1946 年以后它又發(fā)展成為大爆炸宇宙學(xué)，是迄今最成功的宇宙學(xué)理論。對統(tǒng)一場論的漫長艱難的探索廣義相對

18、論建成后， 愛因斯坦依然感到不滿足，要把廣義相對論再加以推廣， 使它不 僅包括引力場，也包括電磁場，就是說要尋求一 種統(tǒng)一場的理論。他認為這是相對論發(fā)展 的第三個階段， 它不僅要把引力場和電磁場統(tǒng)一起來，而且要把相對論 和量子論統(tǒng)一起 來，為量子物理學(xué)提供合理的理論基礎(chǔ)。 他希望在試圖建立的統(tǒng)一場論中能夠得到?jīng)]有奇 點的解， 可用來表示粒子，也就是企圖用場的概念來解釋物質(zhì)結(jié) 構(gòu)和量子現(xiàn)象。最初的 統(tǒng)一場論是數(shù)學(xué)家 H. 韋耳于 1918 年把通常的四維黎曼幾何加以推廣而得到的。 對此，愛 因 斯坦表示贊賞，但指出，這一理論所給出的線素不是 不變量，而同它過去的歷史有關(guān)，這 同一切氫原子都有 同樣光譜的事實相抵觸。接著，數(shù)學(xué)家T.F.E. 卡魯查于 1919 年試圖用五維流形來達到統(tǒng)一場論， 得到了愛因斯 坦的高度贊揚。 1922 年愛因斯坦完成的第一篇統(tǒng) 一場論 的論文就是關(guān)于卡魯查理論的。 1925 年以后，愛因斯坦 全力以赴地去探索統(tǒng)一場 論。開頭幾年他非常樂觀，以 為勝利在望；以后發(fā)現(xiàn)困