圖片說(shuō)明:相對論手稿

愛(ài)因斯坦的物理學(xué)成就及影響

　　1905年3月，愛(ài)因斯坦發(fā)表了《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉化的一個(gè)試探性觀(guān)點(diǎn)》，解釋了光的本質(zhì)，他認為光是由分離的能量粒子（光量子）所組成，并像單個(gè)粒子那樣運動(dòng)，把1900年普朗克 （Max Planck，1858－1947）創(chuàng )立的量子論推進(jìn)了一步，并為構成量子力學(xué)基石的微觀(guān)粒子——光子的波粒二重性獲得廣泛接受鋪平了道路。他用光量子概念輕而易舉地解釋了經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的光電效應，推導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年后由美國實(shí)驗物理學(xué)家羅伯特·愛(ài)德胡茲·密立根(Robert Andrews Millikan，1868－1953)的實(shí)驗證實(shí)。愛(ài)因斯坦因為“光電效應定律的發(fā)現”這一貢獻而獲得了1921年度諾貝爾物理學(xué)獎。密立根也因為基本電荷和光電效應方面的實(shí)驗研究而獲得1923年度諾貝爾物理學(xué)獎。光電效應后來(lái)也成為光電子、光傳感、LED、激光、光伏電池等諸多重要技術(shù)的基礎。

　　1905年4月，愛(ài)因斯坦完成了《分子大小的新測定法》（翌年他正是以這篇論文，取得了蘇黎世大學(xué)的博士學(xué)位）。1905年5月11日，他發(fā)表了另一篇用布朗運動(dòng)解釋微小顆粒隨機游走現象的論文《熱的分子運動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動(dòng)》。這兩篇論文的目的是通過(guò)觀(guān)測由分子運動(dòng)的漲落現象所產(chǎn)生的懸浮粒子的無(wú)規則運動(dòng)，來(lái)測定分子的實(shí)際大小，以解決半個(gè)多世紀來(lái)科學(xué)界和哲學(xué)界爭論不休的原子是否存在的問(wèn)題。3年后，法國物理學(xué)家讓·佩蘭（Jean Baptiste Perrin，1870－1942）以精密的實(shí)驗證實(shí)了愛(ài)因斯坦的理論預測，從而無(wú)可非議地證明了原子和分子的客觀(guān)存在。愛(ài)因斯坦關(guān)于布朗運動(dòng)中大量無(wú)序因子的規律性的研究成果，已成為當今金融數學(xué)的重要基礎。

　　1905年6月30日，愛(ài)因斯坦向《物理年鑒》提交了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文，首次提出了狹義相對論基本原理，并提出了兩個(gè)基本公理：“光速不變”以及“相對性原理”。1905年9月27日，他又向《物理年鑒》提交了一篇短文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》，作為狹義相對論最重要的一個(gè)推論：“物體的質(zhì)量可以度量其能量”，質(zhì)量守恒原理和能量守恒定律應當相互融合，質(zhì)能可以相互轉化，并導出了E=mc2的公式。質(zhì)能相當性是原子核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的重要理論基礎，也為20世紀40年代實(shí)現核能的釋放和利用開(kāi)辟了道路。

　　1914年，愛(ài)因斯坦返回德國，進(jìn)入普魯士科學(xué)研究所從事科學(xué)研究，并兼任柏林大學(xué)教授。他堅信物理學(xué)的定律必須對于無(wú)論哪種方式運動(dòng)著(zhù)的參照系都成立。即在處于均勻的恒定引力場(chǎng)影響下的慣性系中，所發(fā)生的一切物理現象，可以和一個(gè)不受引力場(chǎng)影響但以恒定加速度運動(dòng)的非慣性系內的物理現象完全相同——廣義等效原理；物理定律在所有非慣性系和有引力場(chǎng)存在的慣性系對于描述物理現象都是等價(jià)的——廣義相對性原理。經(jīng)過(guò)十年努力，1915年36歲的愛(ài)因斯坦完成了廣義相對論的創(chuàng )建，并于1916年3月在德國《物理年鑒》第4系列第49卷上正式發(fā)表了《廣義相對論基礎》。論文由廣義相對性原理及廣義等效原理出發(fā)，得到新的引力場(chǎng)方程，并作出水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、引力紅移、光線(xiàn)在引力場(chǎng)中彎曲等三大預言。這些理論激怒了一直把牛頓力學(xué)奉為絕對真理的100名著(zhù)名教授，他們聯(lián)合發(fā)表聲明：“愛(ài)因斯坦錯了?！钡珢?ài)因斯坦卻幽默地回應道：“如果我錯了，只要一個(gè)證明就已經(jīng)足夠，何須100個(gè)呢？”他計算的水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)值在扣除了其他行星的影響后應是每100年?yáng)|移42.91″，與觀(guān)測值43″十分吻合。光線(xiàn)在引力場(chǎng)中彎曲的預言，于1919年5月29日由英國天文學(xué)家亞瑟·斯坦利·愛(ài)丁頓（Arthur Stanley Eddington，1882－1944）和他的團隊在西非普林西比島觀(guān)測日全蝕的結果所證實(shí)。1960年，哈佛大學(xué)的龐德（Robert Pound，1919－2010)、雷布卡（Glen Rebka，1931－）采用穆斯堡爾效應的實(shí)驗方法，成功地驗證了引力紅移預言。引力紅移效應對于宇宙學(xué)研究和操作全球定位系統等領(lǐng)域起著(zhù)十分重要的作用。1916年愛(ài)因斯坦在時(shí)空理論中的另一個(gè)預言：在一個(gè)力學(xué)體系變動(dòng)時(shí)必然發(fā)射以光速傳播的引力波。由于引力波強度太弱而難以檢測。但從1974年開(kāi)始，美國兩位射電天文學(xué)家赫爾斯（Russell A.Hulse，1950－）和小約瑟夫·泰勒 （Joseph H.Taylor，Jr，1941－）對新發(fā)現的一對射電脈沖雙星進(jìn)行連續4年的觀(guān)測，終于從脈沖周期的變化推算出確實(shí)存在引力波。兩人由此獲得1993年度諾貝爾物理學(xué)獎。也是在1916年，愛(ài)因斯坦重回量子輻射研究。1917年他在《論輻射的量子性》一文中提出了受激輻射理論，成為激光的理論基礎。1917年，愛(ài)因斯坦還根據廣義相對論提出了宇宙學(xué)理論，認為宇宙在空間上是有限而無(wú)邊界的，即自身是閉合的。這項研究使宇宙學(xué)擺脫純粹猜測性的思辨，成為現代科學(xué)。后經(jīng)眾多天文學(xué)家和物理學(xué)家的共同努力，相繼提出了宇宙膨脹理論和宇宙大爆炸理論，并已經(jīng)得到了一系列天文觀(guān)測的驗證。

　　愛(ài)因斯坦的后半生，除了繼續量子力學(xué)的完備性、引力波以及廣義相對論的運動(dòng)問(wèn)題研究外，主要致力于從事整合廣義相對論及電磁學(xué)成為統一場(chǎng)論的探索。1937年，他在兩位助手的幫助下，從廣義相對論的引力場(chǎng)方程推導出運動(dòng)方程，進(jìn)一步揭示了空間-時(shí)間、物質(zhì)、運動(dòng)之間的統一性，這是廣義相對論的重大發(fā)展，也是愛(ài)因斯坦在科學(xué)創(chuàng )造活動(dòng)中取得的最后一項重大成果。但是在統一場(chǎng)論方面，他始終沒(méi)有成功。然而在每次遭遇失敗后，他從不氣餒，都滿(mǎn)懷信心地從頭開(kāi)始。由于他遠離了當時(shí)物理學(xué)研究的主流，再加上在量子力學(xué)的解釋問(wèn)題上同當時(shí)占主導地位的哥本哈根學(xué)派針?shù)h相對，晚年他在物理學(xué)界相對孤立。但他依然無(wú)所畏懼，毫不動(dòng)搖地沿著(zhù)他所認定的方向不倦探索。一直到臨終前一天，他還在病床上繼續他的統一場(chǎng)論的數學(xué)計算。他在1948年就曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，“我完成不了這項工作，它或被遺忘，但是將來(lái)仍會(huì )被重新發(fā)現?！睔v史又一次印證了他的預言，由于20世紀七八十年代一系列實(shí)驗有力地支持電弱統一理論，統一場(chǎng)論的思想以新的形式顯示了它的生命力，為未來(lái)發(fā)展展現了新的希望。

　　1955年4月18日，愛(ài)因斯坦因腹主動(dòng)脈瘤破裂逝世于普林斯頓，這位科學(xué)偉人走完了他光輝的一生。臨終前他留下遺言：遺體由醫學(xué)界處理，不舉行葬禮，不建墳墓，不立紀念碑，骨灰由親友秘密撒向天空,辦公室和他的住宅不可成為供人“朝圣”的紀念館。他衷心希望除了他的思想以外,其余一切都隨他乘風(fēng)而去。

　?。ㄗ髡邽槿珖舜蟪Ｎ瘯?huì )原副委員長(cháng)、中國科學(xué)院原院長(cháng)）