Question

爱因斯坦在物理学上有哪些重要的贡献

Answer 1

1921年诺贝尔物理学奖授予德国柏林马克斯·普朗克物理研究所的爱因斯坦(Allbert Einstein ,1879-1955),以表彰他在理论物理学上的发现,特别是发现了光电效应的定律.
众所周知,爱因斯坦是20世纪最杰出的理论物理学家.爱因斯坦最重要的科学贡献是在1905年创建了狭义相对论.然而在颁发1921年诺贝尔物理学奖时,却只字不提相对论的建立.诺贝尔委员会特别申明,授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖不是由于他建立了相对论,而是"为了表彰他在理论物理学上的研究，特别是发现光电效应的定律"。
诺贝尔物理学奖委员会主席奥利维亚（Aurivillus）为此专门写信给爱因斯坦，指明他获奖的原因不是基于相对论，并在授奖典礼上解释说：因为有些结论目前还正在接受严格的验证。这件事说明了20世纪初，人们对待新的科学观念是何等的保守。当然，即使是只限于光电效应定律的发现，爱因斯坦也早就该获得最高的科学嘉奖了。
量子假说是普朗克在1900年根据黑体辐射的实验和理论作出的大胆尝试。这是物理学发展史中的一个里程碑。但是他的量子概念只限于辐射的发射和吸收。爱因斯坦是在他的基础上，把量子概念进一步发展成为光量子理论。爱因斯坦总结了光学发展中微粒说和波动说两种理论长期争论的历史，认为光能量的不连续分布不但可以解释黑体辐射的规律，也应能解释光致发光、紫外光产生阴极射线（即光电效应）、电离现象等实验事实。1905年，他在“关于光的产生和转化的一个试探性观点”一文（图21－1）中提出了这一理论，认为光辐射的能量是一束一束地集中在光子（或光量子）上，光子的能量是E＝hν，式中ν是光的频率，h是普朗克常数。爱因斯坦根据能量守恒原理，得：
eV＝hν－W
其中e为电子电荷，V为遏止电压，eV等于电子逸出金属表面的最大动能，W为电子逸出金属表面需作的功。这个方程就叫爱因斯坦光电方程。在这个方程中不出现光的强度，可见电子的最大速度与光强无关。这个方程不但解释了遏止电压，而且还预言遏止电压与频率的线性关系。然而这个线性关系在1905年爱因斯坦发表论文时，还没有人从实验中得到过，因为要测量不同频率下纯粹由光辐射引起的微弱电流并不是一件容易的事。一方面是由于理论没有得到实验的验证；另一方面，勒纳德（P.Lenard）的触发假说占了上风，更重要的是，经典理论的传统观念束缚了人们的思想，因此，爱因斯坦的光量子理论和光电方程长期没有得到普遍承认。甚至相信量子概念的一些著名物理学家都反对他，就连能量子假说的提出者普朗克自己也持否定态度，认为爱因斯坦走得太远了。

为了检验爱因斯坦的光电方程，实验物理学家开展了全面的实验研究。主要困难在于电极表面有接触电势差存在，氧化膜也会影响实验结果。只是经过许多人长期的研究，才逐渐克服这些困难。直到1914年，密立根作出了关键性的实验，精确可靠地对爱因斯坦的光电方程进行全面的验证。到了这个时候，爱因斯坦的光电效应理论才得到科学界的普遍接受。
爱因斯坦创建相对论虽然没有列入1921年诺贝尔物理学奖的成果之中，但是世人早已普遍把这项成果看成是爱因斯坦最伟大的科学贡献。当然，这也是由于爱因斯坦善于批判地继承前人的遗产所作出的创造性成果。应该说，在爱因斯坦之前，物理学已经为相对论的问世准备了必要的条件。首先是麦克斯韦的电磁理论。这个理论不但把电学和磁学统一为一体，而且还预见到了电磁波的传播速度等于光速。其次是光学实验，19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。然而，这个结论却与力学中的伽利略变换相抵触。迈克耳孙－莫雷实验为代表的以太漂移实验和其它许多实验得到互相矛盾的结果。为了解决这些矛盾，洛伦兹在1892年一方面提出了长度收缩假说，用以解释以太漂移的零结果；另一方面发展了动体的电动力学。他假设以太是绝对静止的，从他的电磁理论推出了菲涅耳曳引系数。随后，又在1895年与1904年先后建立一阶与二阶变换理论，他力图使电磁场方程适用于不同的惯性坐标系。然而尽管他的理论能够解释一些现象（例如能解释为什么探测不到地球相对于以太的运动），但却是在保留以太的前提下，采取修补的办法，人为地引入了大量假设，致使概念繁琐，理论庞杂，缺乏逻辑的完备性和体系的严密性。
法国著名科学家庞加莱对洛伦兹理论起过积极作用。他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。他提出了相对性原理的概念，认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛伦兹提出时空变换的方程式。1904年庞加莱正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”庞加莱还对洛伦兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。然而庞加莱也没有跳出绝对时空观的框架，他们已经走到了狭义相对论的边缘，却没能创立狭义相对论。历史的重任只能由没有传统思想包袱而有独立批判精神的年轻学者爱因斯坦来承担。深入的哲学思考，使他具有强烈的批判精神。他在年轻时阅读了戴维、休谟、恩斯特，特别是马赫的哲学著作。康德的《纯粹理性批判》，马赫的《力学史评》都给了他深刻的影响。1902年前后，爱因斯坦和几位年轻朋友组成“奥林比亚科学院”，每晚聚在一起，研读斯宾诺莎、休谟、庞加莱等人的科学和哲学著作。斯宾诺莎关于自然界统一的思想，休谟的时空观，马赫对牛顿绝对时空观的批判都引起爱因斯坦极大的兴趣。爱因斯坦很了解电磁理论发展中遇到了一个难以克服的矛盾，这就是当把电磁理论运用到运动物体时，在理论体系上出现了明显的不自洽。由此得出的结论不能够用普通力学知识解释，这个知识就是大家都知道的速度相加原理。是在旧理论框架中修修补补，还是与传统观念彻底决裂？每位研究电磁理论的物理学家都面临着这样一个问题。许多著名的物理学家大都倾向于前者，有的人下了很大功夫来修补已有的电磁理论，虽取得了一定进展，但是越修补，问题就越复杂。只有那些具有无畏精神、没有包袱的科学家，才能摆脱传统的束缚。爱因斯坦在这方面给我们作出了光辉的范例。
爱因斯坦1879年3月14日出生于德国乌耳姆一个经营电器作坊的小业主家庭里。一年后，全家迁居慕尼黑。父亲和任电气工程师的叔父在那里合办了一个为电站和照明系统生产电机、弧光灯和电工仪表的电器工厂。在叔父的影响下，爱因斯坦较早地受到科学和哲学的启蒙。但爱因斯坦小时并不显得才华出众，很晚才会说话，直到5岁还说不清楚，曾被医生认为发育不正常。不过，小阿尔伯特很爱思考，总是向大人盘问“为什么？”四五岁时，他就有强烈的求知欲，常对新鲜事物感到新奇。例如：对指南针曾发生过浓厚兴趣。后来对几何定理的神奇也深有触动。1894年，全家迁到意大利米兰，爱因斯坦留在慕尼黑上中学，他厌恶德国学校窒息自由思想的军国主义教育，后来放弃学籍也去了米兰，1895年转学瑞士阿劳市的州立中学。爱因斯坦16岁就通过自学掌握了微积分。爱因斯坦最喜欢的是电磁学，这也许跟他的家庭背景有联系，父亲和叔父的电气作坊涉及许多电气问题，叔父本人是电气工程师，曾获得多项发明专利。1896年爱因斯坦进苏黎世联邦工业大学学习物理学。就在学习过程中，爱因斯坦开始了创新活动。
他从16岁起就在思考一个问题：“如果我以速度c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这样一条光线，就好像一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情”。爱因斯坦百思不得其解。随着年龄的增长，他对电磁学的学习和研究越加深入，也越来越感到当时电磁学的内容存在许多问题，无法解决这一矛盾。后来，他读到洛伦兹1895年关于电动力学的论文，对洛伦兹提出的方程发生了兴趣。他很欣赏洛伦兹方程不但适用于真空中的参照系，而且适用于运动物体的参照系。当时他试图用洛伦兹的理论解决追光问题，但却发现要保持洛伦兹方程对以光速运动的参照系同样有效，必然导致光速不变的结论，而光速不变的结论明显地与力学的速度合成法则相抵触。为什么这两个基本原理会互相抵触呢？这里面必有原因，爱因斯坦日夜苦思。
经过十年的思考，终于在1905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮他摆脱了困境。那是一个晴朗的日子，他带着这个问题访问了贝索。两人认真讨论了这个问题的每一个细节。忽然爱因斯坦领悟到这个问题的症结所在。他想到时间概念有问题，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间应该有不可分割的联系。建立了这一新概念，爱因斯坦心里豁然开朗，第一次彻底地解决了这个难题。不出五个星期，爱因斯坦就势如破竹地拟就了整个狭义相对论的框架，并以“论动体的电动力学”为题发表（图21－2）。其时他不过是一位26岁默默无闻的专利局三级技术员。

狭义相对论建立之后，爱因斯坦并不就此止步，他继续研究狭义相对论没有解决的问题。例如：为什么惯性坐标系在物理学中比其它坐标系更优越？为什么惯性质量会随能量变化？为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度？爱因斯坦坚信这些问题可以得到解决，因为自然界应该是和谐、统一的，他认识到狭义相对论并不是万能的，必须进一步发展。
从1907年起，爱因斯坦就在思考如何突破狭义相对论的框架，以解决惯性与重量之间的不协调。跟狭义相对论的创建经过一样，他又是经过长时间的苦思，终于有一天找到了突破口。当时他正坐在伯尔尼专利局的办公室里，脑子里突然闪现了一个念头：如果一个人正在自由下落，他决不会感到他没有重量。他想：下落的人正在作加速运动，可是在这个加速参照系中，他有什么感觉？他怎样判断面前发生的事情？可见，引力场对物体的引力作用和物体的加速运动是等效的。在这个基础上，爱因斯坦在1916年发表了总结性论文：《广义相对论的基础》。爱因斯坦对自己创建的相对论充满信心。他当然很关心这个理论是否符合实际，是不是真正反映了客观世界的规律性。所以他特别提出了许多实验检验相对论的方案，既包括狭义相对论，也包括广义相对论。
例如，爱因斯坦曾经预言，根据广义相对论，引力场中光线会发生弯曲现象。通过这一弯曲现象的测量，有可能验证广义相对论。爱因斯坦1911年著文指出，光线经过太阳附近会由于太阳引力的作用而产生的弯曲偏角应为0.83″，并且指出这一现象可在日全蚀时进行观测。1916年爱因斯坦又一次研究这一问题，重新计算的结果为1.7″。1919年日全蚀期间，英国皇家学会派出天文学家爱丁顿等人赴西非和拉美观测。两处观测的结果分别为1.61″和1.98″，与理论计算基本相符。这件事使爱因斯坦名声大振。到了这个时候，相对论才得到人们的重视。1921年爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖，虽然没有提到相对论，但是颁奖是在1919年日全蚀观测之后，显然是因为事实证明了爱因斯坦理论的正确性。而爱因斯坦在领取诺贝尔奖时所作的演说词题目就是：“相对论的基本思想和问题”。