圖片說明:相對論手稿

愛因斯坦的物理學成就及影響

　　1905年3月，愛因斯坦發(fā)表了《關于光的產生和轉化的一個試探性觀點》，解釋了光的本質，他認為光是由分離的能量粒子（光量子）所組成，并像單個粒子那樣運動，把1900年普朗克 （Max Planck，1858－1947）創(chuàng)立的量子論推進了一步，并為構成量子力學基石的微觀粒子——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典物理學無法解釋的光電效應，推導出光電子的最大能量同入射光的頻率之間的關系。這一關系10年后由美國實驗物理學家羅伯特·愛德胡茲·密立根(Robert Andrews Millikan，1868－1953)的實驗證實。愛因斯坦因為“光電效應定律的發(fā)現(xiàn)”這一貢獻而獲得了1921年度諾貝爾物理學獎。密立根也因為基本電荷和光電效應方面的實驗研究而獲得1923年度諾貝爾物理學獎。光電效應后來也成為光電子、光傳感、LED、激光、光伏電池等諸多重要技術的基礎。

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

　　1905年6月30日，愛因斯坦向《物理年鑒》提交了《論動體的電動力學》一文，首次提出了狹義相對論基本原理，并提出了兩個基本公理：“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嗎？》，作為狹義相對論最重要的一個推論：“物體的質量可以度量其能量”，質量守恒原理和能量守恒定律應當相互融合，質能可以相互轉化，并導出了E=mc2的公式。質能相當性是原子核物理學和粒子物理學的重要理論基礎，也為20世紀40年代實現(xiàn)核能的釋放和利用開辟了道路。

　　1914年，愛因斯坦返回德國，進入普魯士科學研究所從事科學研究，并兼任柏林大學教授。他堅信物理學的定律必須對于無論哪種方式運動著的參照系都成立。即在處于均勻的恒定引力場影響下的慣性系中，所發(fā)生的一切物理現(xiàn)象，可以和一個不受引力場影響但以恒定加速度運動的非慣性系內的物理現(xiàn)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存在的慣性系對于描述物理現(xiàn)象都是等價的——廣義相對性原理。經過十年努力，1915年36歲的愛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)，得到新的引力場方程，并作出水星近日點進動、引力紅移、光線在引力場中彎曲等三大預言。這些理論激怒了一直把牛頓力學奉為絕對真理的100名著名教授，他們聯(lián)合發(fā)表聲明：“愛因斯坦錯了?！钡珢垡蛩固箙s幽默地回應道：“如果我錯了，只要一個證明就已經足夠，何須100個呢？”他計算的水星近日點進動值在扣除了其他行星的影響后應是每100年東移42.91″，與觀測值43″十分吻合。光線在引力場中彎曲的預言，于1919年5月29日由英國天文學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓（Arthur Stanley Eddington，1882－1944）和他的團隊在西非普林西比島觀測日全蝕的結果所證實。1960年，哈佛大學的龐德（Robert Pound，1919－2010)、雷布卡（Glen Rebka，1931－）采用穆斯堡爾效應的實驗方法，成功地驗證了引力紅移預言。引力紅移效應對于宇宙學研究和操作全球定位系統(tǒng)等領域起著十分重要的作用。1916年愛因斯坦在時空理論中的另一個預言：在一個力學體系變動時必然發(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年開始，美國兩位射電天文學家赫爾斯（Russell A.Hulse，1950－）和小約瑟夫·泰勒 （Joseph H.Taylor，Jr，1941－）對新發(fā)現(xiàn)的一對射電脈沖雙星進行連續(xù)4年的觀測，終于從脈沖周期的變化推算出確實存在引力波。兩人由此獲得1993年度諾貝爾物理學獎。也是在1916年，愛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，愛因斯坦還根據廣義相對論提出了宇宙學理論，認為宇宙在空間上是有限而無邊界的，即自身是閉合的。這項研究使宇宙學擺脫純粹猜測性的思辨，成為現(xiàn)代科學。后經眾多天文學家和物理學家的共同努力，相繼提出了宇宙膨脹理論和宇宙大爆炸理論，并已經得到了一系列天文觀測的驗證。

　　愛因斯坦的后半生，除了繼續(xù)量子力學的完備性、引力波以及廣義相對論的運動問題研究外，主要致力于從事整合廣義相對論及電磁學成為統(tǒng)一場論的探索。1937年，他在兩位助手的幫助下，從廣義相對論的引力場方程推導出運動方程，進一步揭示了空間-時間、物質、運動之間的統(tǒng)一性，這是廣義相對論的重大發(fā)展，也是愛因斯坦在科學創(chuàng)造活動中取得的最后一項重大成果。但是在統(tǒng)一場論方面，他始終沒有成功。然而在每次遭遇失敗后，他從不氣餒，都滿懷信心地從頭開始。由于他遠離了當時物理學研究的主流，再加上在量子力學的解釋問題上同當時占主導地位的哥本哈根學派針鋒相對，晚年他在物理學界相對孤立。但他依然無所畏懼，毫不動搖地沿著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(xù)他的統(tǒng)一場論的數(shù)學計算。他在1948年就曾經說過，“我完成不了這項工作，它或被遺忘，但是將來仍會被重新發(fā)現(xiàn)?！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驗有力地支持電弱統(tǒng)一理論，統(tǒng)一場論的思想以新的形式顯示了它的生命力，為未來發(fā)展展現(xiàn)了新的希望。

　　1955年4月18日，愛因斯坦因腹主動脈瘤破裂逝世于普林斯頓，這位科學偉人走完了他光輝的一生。臨終前他留下遺言：遺體由醫(yī)學界處理，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而去。

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