－－量子百年紀(jì)念文章
高山 在紀(jì)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(jìn)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(xiàn)。
1901年 發(fā)表第一篇科學(xué)文章，關(guān)于毛細(xì)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(shí)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(dǎo)，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(xué)
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(xué)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(xué)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(dāng)代人最熟悉的科學(xué)家的名字，他幾乎成了科學(xué)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(xué)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(xiàn)。本文我們將主要介紹愛因斯坦對量子理論的貢獻(xiàn)。
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(xué)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(shí)的物理意義，更沒有意識到能量量子化與經(jīng)典力學(xué)及經(jīng)典電動力學(xué)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(rèn)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(xué)的其他領(lǐng)域中，如光電效應(yīng)（1905），固體比熱（1906），光化學(xué)現(xiàn)象(1912)，理想氣體的玻色-愛因斯坦統(tǒng)計（1924）等。為此，科學(xué)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(dǎo)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(dǎo)，在這一推導(dǎo)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(jìn)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(rèn)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(jìn)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(dá)式，即E=hv及P=hσ，式中h是普朗克恒量，v和σ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(shí)驗(yàn)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(xué)家密立根在實(shí)驗(yàn)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(shí)了光量子的真實(shí)存在，并使光量子概念開始為人們所接受。1926年，美國化學(xué)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(rèn)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(yùn)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(yán)格證明了輻射，即光子具有波粒二象性，并指出了已被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xiàn)，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(jìn)一步引導(dǎo)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(xué)形式（1926）。量子力學(xué)與相對論的不相容性
1925-1926年間，量子力學(xué)大廈在物理學(xué)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(xué)的批判性的分析中，愛因斯坦最早注意到了量子力學(xué)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(xué)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(xué)是描述單次微觀實(shí)在過程的理論，則量子力學(xué)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(xué)與相對論的不相容性的最早認(rèn)識。
1935年，愛因斯坦在論證量子力學(xué)不完備性的EPR文章中，再一次揭示了量子力學(xué)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(jìn)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(rèn)識。
愛因斯坦一生都堅持定域性假設(shè)，并堅信量子力學(xué)是不完備的，在愛因斯坦看來，量子力學(xué)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(xué)需要完善
在量子力學(xué)建立之后，愛因斯坦的貢獻(xiàn)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(rèn)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(shí)在論，而反對具有實(shí)證論傾向的量子力學(xué)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(jìn)一步完善了他們對量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋。因此，愛因斯坦在很大程度上促進(jìn)了量子力學(xué)解釋的不斷清晰和完善，同時，愛因斯坦對量子力學(xué)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(xiàn)的影響是最為深遠(yuǎn)的，因?yàn)閻垡蛩固顾P(guān)心的量子問題至今依然存在，量子力學(xué)仍然沒有被真正理解，量子力學(xué)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(rèn)，“整整50年有意識的思考仍沒有使我更接近‘光量子是什么’這個問題的答案”。今天，人們更沒有理由驕傲自滿，我們必須完成愛因斯坦未竟的科學(xué)事業(yè)，而在這一探索旅程中，他的探索精神和深邃思想仍將一直激勵并指引我們前進(jìn)。
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