【名家說第38期】愛因斯坦的量子理論

大家好，

這裡是放眼宇宙世界、縱觀物理髮展、

科技人文共賞，環球物理

【名家說】！

前面我們已經分享愛因斯坦的生平和他的相對論，

今天我們將繼續跟大家分享——愛因斯坦和相對論

愛因斯坦和相對論

來自環球物理

這一節我們介紹愛因斯坦的量子理論。

本文節選自北大物理學教授秦克誠先生的《方寸格致》！

隨著學術聲譽的提高，愛因斯坦的境遇有所好轉。1908年兼任伯爾尼大學無公俸講師，1909年離開專利局任蘇黎世大學理論物理學副教授，1911年任布拉格德語大學教授，並被邀出席第一屆索耳維物理學會議，1912年任母校蘇黎世聯邦工業大學教授。德國的物理學家們希望愛因斯坦能回到德國工作。為此，普朗克和能斯特於1913年親自跑到蘇黎世，向愛因斯坦提供優厚的條件，邀請他去柏林擔任普魯士科學院院士、擬建中的威廉皇帝物理研究所所長兼柏林大學教授，有開課的權利，沒有講課的義務。愛因斯坦在保留瑞士國籍的條件下接受了邀請。愛因斯坦於1914年4月去了柏林。

到柏林後，同年8月第一次世界大戰爆發。他參加了公開和地下的反戰活動。當時，為了對協約國譴責德國入侵中立國比利時作出反應，德國一些著名學者包括普朗克、倫琴、能斯特在內共93人，發表了一個為德國侵略暴行辯護的《文明世界的宣言》。愛因斯坦拒絕在這個宣言上簽名，而在一個針鋒相對的宣言《告歐洲人書》上籤了名，是總共4名簽名者之一。他是地下反戰組織「新祖國同盟」的創始人之一，並且同著名法國作家、和平主義者羅曼羅蘭保持著聯繫。連羅曼羅蘭也驚訝於愛因斯坦對德國的批判的直率和大膽。1918年秋，德國戰敗，爆發了士兵起義和工人罷工，德皇被迫退位，成立了共和國，愛因斯坦為之歡欣鼓舞。

大戰期間，愛因斯坦仍然沒有間斷他的科學研究。1915年到1917年這3年是愛因斯坦第二個科學創造高峰期。1916年除完成了廣義相對論外，還發表論文《關於輻射的量子理論》，在玻爾的量子躍遷概念的基礎上，進一步發展了光量子理論，提出了自發輻射和受激輻射這兩種輻射形式和躍遷概率的概念，奠定了激光的理論基礎。1917年他用廣義相對論的結果研究宇宙的結構，開創了現代宇宙學。引進宇宙常數，相當於今天的暗能量。

廣義相對論的一個可用實驗檢驗的結論是太陽使經過它附近的光線偏轉，廣義相對論預言的偏轉值是1.74″，而牛頓理論預言的偏轉值是0.87″。圖38-1示意性地畫出這一偏轉。上面的實線代表真實的光線，下面的虛線代表星星的視位置。1919年發生日全食，英國天文學家愛丁頓等人率兩支觀測隊分赴西非的普林西比島和巴西的索布拉耳兩地觀測，觀測結果基本符合愛因斯坦的預言。這使愛因斯坦一夜之間世界聞名。

圖38-1

1919年愛因斯坦整40歲，這是他一生中發生巨變的一年。日食觀測的結果使愛因斯坦的聲名大噪，他達到了他的科學活動的頂峰，並且受到公眾注目。從這一年開始，他參加政治活動明顯增多。在個人生活上，這一年他同他第一個妻子塞爾維亞人米列娃·馬瑞奇離婚，同他的表姐愛爾莎結婚。應當說，愛因斯坦的兩次婚姻都不成功。

授予愛因斯坦諾貝爾獎已不能再迴避了，可是授給愛因斯坦諾貝爾獎的過程卻一波三折。從1909年奧斯特瓦爾德提名愛因斯坦為1910年諾貝爾獎候選人起，幾乎年年都有著名科學家提名愛因斯坦，而且提名者越來越多，但是每次都沒有通過。在因為相對論而被提名時，評獎委員會的意見是實驗還不足以證明相對論的正確性；而在有人提議因愛因斯坦在布朗運動方面的工作授予他諾貝爾獎時，委員會又認為愛因斯坦在統計物理方面的論文不像他在相對論和量子物理學方面的工作那樣突出，因而「如果愛因斯坦因統計物理學……而不是因為其他主要論文而獲獎，那會讓學術界感到奇怪」。拖延給愛因斯坦授獎的原因之一，是當時德國社會上的一股反相對論的潮流。由於愛因斯坦一貫的反戰立場和猶太人出身，也由於他在日食觀測後聲名鵲起，他成了戰敗的德國一小撮人嫉恨的目標。他們建立了一個組織（愛因斯坦蔑稱之為「反相對論公司」），瘋狂攻擊他們不懂的相對論。參與攻擊的不僅有無名政客和三流物理學家，還有像勒納德和斯塔克這樣的諾貝爾物理獎獲獎人。他們甚至聲稱，如果授予愛因斯坦諾貝爾獎，就要退回自己的得獎。因此，瑞典科學院被夾在贊成和反對給愛因斯坦授獎兩股巨大壓力之中。1921年諾貝爾物理獎就因為意見不一暫時沒有評出。1922年，推薦愛因斯坦的人更多。普朗克建議把1921年和1922年的獎分別授予愛因斯坦和1922年，推薦愛因斯坦的人更多。普朗克建議把1921年和1922年的獎分別授予愛因斯坦和玻爾，瑞典烏普薩拉大學的理論物理學教授奧席恩則因為光電效應而提名愛因斯坦，評獎委員會最後按這個意見通過。瑞典科學院秘書在給愛因斯坦的信中特別聲明：「王國科學院決議授予您上年度的諾貝爾物理學獎，以表彰您在理論物理學中的工作，特別是在光電效應規律方面的發現，但是沒有考慮您的相對論和引力理論一旦得到證實所應得到的評價。」可以看出，瑞典科學院這個決定是考慮了各種矛盾之後的一個妥協，它避開了相對論這個熱點。但是，60年後瑞典發行的諾貝爾獎郵票圖38-2上印的仍是E = mc^２這個公式。愛因斯坦獲獎後，按照他的承諾，把獎金都給了米列娃。

圖38-2

後來沒有給愛因斯坦再度頒發諾貝爾獎。但是不少物理學家認為，愛因斯坦有資格至少拿5次諾貝爾獎。他的以下工作都有得獎資格：光量子假說（光電效應理論），布朗運動理論，狹義相對論，E =mc^２，廣義相對論，激光理論，凝聚態物理（固體比熱理論及磁學）。

愛因斯坦是量子理論的創建者之一。普朗克、愛因斯坦和玻爾是量子理論的三大先驅，代表量子理論的三個階段：普朗克提出能量子概念，愛因斯坦發現光量子，玻爾將量子概念用於物質結構。他們得諾貝爾物理獎的先後次序也與這個次序一致。葡萄牙2000年發行20世紀回顧郵票用他們三人代表20世紀的物理學，這意味著量子理論是20世紀物理學發展的主線。但是，愛因斯坦對後來的量子力學是不滿意的。他承認量子力學在解決實際問題中的重要作用，但不同意量子力學的概率解釋，他說：「上帝不丟骰子」。在他看來，量子力學的概率特徵是其理論不完備的表現，由此開始了他和玻爾之間畢生的爭論。愛因斯坦比玻爾大6歲，兩人是很好的朋友。

1924年，他建立了玻色—愛因斯坦統計，並從玻色—愛因斯坦氣體的統計漲落的分析，論述了波與物質的關係不是光所特有的；又熱烈支持德布羅意的物質波假說，為波粒二象性

的發現和量子理論作出了重大貢獻。

今天就先跟大家分享到這裡，明天我們繼續為大家分享——一一個偉大而又全面多才的愛因斯坦

今天就先跟大家分享到這裡，明天我們繼續為大家分享!