发布时间 : 星期四 文章爱因斯坦更新完毕开始阅读
这种理论在经过一代人后才为物理学家们所熟悉。真正的物理学的新思想的渗透是缓慢的， 这主要是因为创立新思想的一辈不能“感知”它们。老一辈的物理学家可以学习它，但是只 是在这一代人过世后，继承者把它当作基础来学习的时候才能做到真正的吸收和理解。在量 子力学方面，我清楚不过地目睹了这一情景。还应当补充说一点，从一开始就受到这种教育 的新一代，是不知道创造者们必须全力对付的各种困境和非议的。
人们对相对论的接受缓慢得出奇。例如，甚至直到1922年瑞典科学院以“他对理论物理
作出了贡献，特别是他发现了光电效应定律”为理由，才给爱因斯坦颁发了诺贝尔奖金。对 相对论只字未提，这似乎令人奇怪，但是，回溯一下我就觉得这种抉择是明智的。它并不意 味相对论是区区小事，而是爱因斯坦的其他“贡献”是极其巨大的。[NextPage]分子碰撞和光的本质
现在我们回过来谈一谈爱因斯坦在令人惊异的1906年撰写的三篇论文中的第一篇。我 认为这篇论文是物理学最伟大的著作之一。那个时候，科学家已经知道光是由电磁波组成的 ，若说确切无疑，莫过于此了。然而，爱因斯坦却对它产生了怀疑，进而揭示了光的双重性 质--波粒二象性。这一发现和与其相对应的物质的二重性，成了二十世纪最伟大的成就。牛 顿和惠更斯被自然哲学领域中出现的一场深刻革命出乎预想地调解了；这场革命表明他们两 人都只是部分地正确。
普朗克已经把构成他的黑体壁的振子能量量子化了。关于辐射本身，他只能给出表达式 u(ν，t)。我相信，他个人绝不会怀疑麦克斯韦方程精确地描述了充满黑体腔中的电磁波。 然而，爱因斯坦却想知道麦克斯韦的描述是否同普朗克公式相一致，且得出了光本身必定是 由准粒子量子组成这一使人感到意外的结论。我不能省略他的推理，因为在拜读之时，它的 威力和简洁，确确实实给我以极为深刻的印象(参见附录3)。 爱因斯坦注意到，在研究振子和辐射之间的能量交换时，普朗克的推导方法不言而喻地 预先假定：一个谐振器吸收和发射的能量，只能是大小为hν的量子，即能够振荡的机械结 构的能量，同辐射能一样只能以这种量子传递。这种方式与力学和热力学定律是相抵触的。
经典物理学不可避免地把我们带到表示普朗克公式的瑞利--琼斯近似法。当hν/kT<<1 时，它是适用的，公式中不出现h。对于hν/kt>>1，维恩公式是正确的，经典概念不能成立 。爱因斯坦把他的注意力集中在维恩公式上，根据维恩公式导出了在某一体积中以某一频率 辐射的熵的表达式或者更为确切地讲，导出了在能量不变时这个熵随体积变化的表达式。爱 因斯坦注意到，“这个方程证明了密度足够小的单色辐射的熵，犹如理想气体的熵一样，是 随体积的变化而变化的，??。”接着，他用玻耳兹曼方法对熵进行计算，得出的结论是：
假如频率为ν能量为E的单色辐射被密封在具有全反射壁的体积υ0内，那末，在任一时
刻，在体积υ0的部分体积υ中求得的所有辐射能的(相对)几率由 W=(υ/υo)|E/hν
确定。根据这个公式，我们可以进一步推断，能量密度小的单色辐射(在维恩辐射公式的适 用范围内)，在热力学关系方面所表现的特性就如同它是由能量大小为hν的分立量子组成的 一样。
尽管有利于光传播现象的波动理论的各种证据占压倒优势，爱因斯坦仍然十分认真地看 待上述结论，他说：
如果就熵对体积的依赖而言，足够小的单色辐射，表现出性质就如同能量大小为hν的 量子组成的不连续介质，那么，人们就有理由询问，光的发射和转化定律是否也可以如此建 立，仿佛光也是由那些具有相同能量的量子组成的一样。 在下一节中，我们自己将要研究这一问题[爱因斯坦，物理学年鉴，第19卷，143页(190 5)]。
接着，爱因斯坦详尽地阐述了光电效应，光化学研究，以及其他一些概念。所有这些 都是证实他关于光量子假设的例证。
理论的进展大大超出了普朗克的概念。普朗克只是使构成黑体壁之振子的振动能量子化 ，或许压根儿就不相信能级的存在。普朗克开始甚至后来的工作，其全部基调给人以这样的 印象，量子化对他来说只不过是一种计算工具。爱因斯坦则不然，他认为量子化是一种基本 现象，特别是光，即电磁场本身，被量子化了。自然，在人们要想把量子化与光的传播现象 统一起来时，量子化就会出现令人生畏的困难。爱因斯坦没有避开这些问题，他清楚地认识 到了它们的基本特性，也没有停止过对这些问题的探索，直至问题的解决。后来，这些问题 果然部分由爱因斯坦、部分由其他一些学者给解决了。
现在，我们来介绍爱因斯坦1905年写的几篇论文中的第二篇。1827年，苏格兰植物学家
罗伯特·布朗(1773--1858)观察到悬浮在水中的花粉粉粒或其他小物体作无规则运动。这种 运动叫做布朗运动，它是由物体周围的流体分子碰撞引起的。爱因斯坦以气体分子运动论为 基础，提出了布朗运动的理论。这样就提供了确定玻耳兹曼常数，进而确定阿伏伽德罗常数 的一种新的直接的方法，也为分子的存在提供了一个几乎是直观的证明(参见附录4)。[NextPage]从专利局到誉满全球
爱因斯坦的这些杰作受到了科学界的注意；事实上，早在1906年3月，普朗克出版社就
出版了爱因斯坦关于相对论的一篇论文。但没有一个人见过作者，作者也没有离开专利局去 同一些主要的物理学家交谈。不过，德国几个大胆的年轻科学家决定到伯尔尼去，要弄清阿 尔伯特·爱因斯坦先生到底是何许人物。他们在爱因斯坦的办公室见到了他。他的家庭生活 似乎有点豪放不羁，但却彬彬有礼，并准备阐述他学说中的任何一个疑点。他开始同普朗克 及洛伦兹通信，不久，瑞士当局在伯尔尼大学给了他一个普通的职务。起先，他们以刻版的 理由，没有给爱因斯坦“大学兼课教师”的头衔。但在1908年，苏黎世大学授予了他这个头
衔。1909年，布拉格德国大学聘请爱因斯坦为教授，他接受了。但是，爱因斯坦在奥地利哈
普登王国时期的布拉格并不那么愉快，他被伪善和反犹的气氛搞得心烦意乱。爱因斯坦一点 也不同情正统的宗教，这方面他基本上是一名不可知论者，至少对各种神学来讲是这样。当 1912年他回到自己所热爱的瑞士，并到了自己的母校苏黎世工业大学的时候，精神上才得到 宽慰。
在布拉格，爱因斯坦和P．埃伦菲斯特结成了朋友，最终两人之间的友谊极为深厚，一 直保持到埃伦菲斯特逝世。保罗·埃伦菲斯待(Paul Ghrenfest ，1880--1933)是奥地利一 名理论物理学家，玻耳兹曼的学生。他的妻子塔蒂阿娜是一位俄国物理学家，这对夫妇曾一 起为数学百科全书写过一篇有关统计力学的著名文章。埃伦菲斯特善于创立理论，更善于将 物理学中模糊难懂的问题阐述得清晰明了。他是一名非常出色的教师，在探索发现新人才方
面表现得异常勤奋。他以钟爱激励青年而出名，正因为他有一颗暖人的心，因而受到了他的 许多朋友和学生的爱戴。1912年，埃伦菲斯特在莱顿接替了洛伦兹的工作，创办了一所欣欣
向荣的学校。不幸的是，他患了几期严重的抑郁症，在1933年那一次，他自杀了。
有一名家庭富裕，攻读物理化学的学生在布拉格遇见了爱因斯坦。他就是奥托·斯特恩 (1888--1969)，后面我们将对他作进一步的介绍。斯特恩已经领悟到爱因斯坦是未来的物理 学家，或者更确切地说，是现代的物理学家，因此，他不惜自费跟随爱因斯坦一起学习和工 作。这是许多伟大物理学家结下不解之缘的又一个例子。
其时，爱因斯坦已经成了一名重要的职业物理学家。1909年，在萨尔兹堡的大会上，他
遇见了普朗克、维恩、索末非(A．Sommerfeld)、鲁宾斯、能斯脱(W．H．Nernst)，以及其 他一些重要的现代物理学家，爱因斯坦为能同这些学者进行面对面的讨论而感到由衷的高兴 。其间，他进一步发展了他1905年的思想。
正像我在上面已经讲过的那样，通过对辐射熵的计算和应用维恩定律求u(ν，T)，爱因 斯坦已经得到了光量子的概念，并把这一概念同实验证据联系了起来。辐射熵同包含在一定 体积中的能量涨落密切相关，光量子假设为这种涨落提供了一个十分简单的表达式。如果人 们不用只当hν>>kT时才能适用的维恩近似定律，而用普朗克的精确公式进行计算，那将会
出现怎样的情形呢？爱因斯坦又一次进行了计算，得到了关于在一确定体积中，频率ν附近 一确定频率间隔内的能量涨落的一个重要公式。
爱因斯坦发现有两项必须一起考虑(参见附录5)。第一个是1905年用维恩公式得到的， 它同在一体积中气体分子涨落的表示式完全类似。它表示辐射能的微粒结构，证实了E=nhν
，即是说，证实了光的习性就如同它是由能量ε＝hν的量子组成一样。另一方面，第二个 表达式恰恰就是人们根据纯电磁理论会得到的，它起因于使波加强或相消的干涉。这两个公 式的同时出现这一不寻常的事实表明了光的二重性质--波动性和粒子性，从而使牛顿和惠更 斯两人似乎相对立的学说都获得了证实。正如1909年爱因斯坦所说的那样：
不可否认，有关辐射的大量数据表明了光具有某种基本特性，这种性质用牛顿微粒说 比用波动理论更容易理解。因此、我的意见是，理论物理学下-步的发展将为我们提供一种 光的理论，这一理论可以被理解为波动理论和微粒说的一种统一，??
当时，在1907年，爱因斯坦发现了量子概念的又一个重要应用。1918年，P．L．杜隆(
P．L．DuIong)和A．T．珀替(A．T．Petit)宣布，根据他们的测量结果，“各种元素的原子 都精确地具有相同的热容量”，玻耳兹曼用能量均分原理解释了这一事实。由于可应用液态 空气和其他一些低温方法，在低温条件下测定比热成为可能的时候，就发现杜隆和珀替定律 有许多例外。爱因斯坦用把晶体中的原子描绘为以一定频率振动的振子的方法，指出了比热 依赖于温度的原因(参见附录6)。按照量子理论，它们只能具有能量nhν(n为整数)。 如果
hν＜＜kT，我们是在经典物理学的范围之内，振子具有平均能量3kT，而原子热，即一个原子
的比热为3k。这同时杜隆和珀替求得的结果相同。但是，如果kT＜＜hν，量子化就变得十分
明显，我们所得到的比热就完全不同于经典情况。从定性角度来看，当振子受到强激发的时 候，增加一个量子的能量，引起的能量变化要比振子已经呈现的能量小，我们并没有远离假 定能量的变化是连续的经典范畴。为使这样的一种情况得以成立，振子周围的温度必定是这 样的，以使kT>>hν。实际上，此时的振子能量应近似为kT，它比可能的跃迁能量hν要大。
在kT＜＜hν这样一种相反的局限情况之下，温度的被动不足引起振子的量子跃迁，因此振子
便不可能从周围吸收能量，振子的特性由它的量子性质支配，比热消失为零。
该理论已由P．德拜(P．Debye)和其他一些学者完善了，并同实验数据相一致。 这些研究成果之所以重要，是因为它们表明了常数h在分子力学和原子力学中起着极其 重要的作用。这些概念的确立，更有助于引起对量子思想的关注，而量子概念仍被局限在有 这方面初步知识的人的非常狭窄的范围内。[NextPage]世界秩序崩溃，空间被弯曲
1911年，第一次索尔维会议召开了，它的中心议题是辐射和量子(图5．4)。索尔维会 议是根据工业制碱法(碳酸钠或苏打)的发明者欧内斯特·索尔维的名字命名的。索尔维曾倡 导召开并资助过一系列国际性物理会议，每次会议都有预定的课题，并邀请特定领域一些主 要物理学家出席。历次会议都在布鲁塞尔举行，出席人数限定在三十人左右，第一次索尔维 大会的总计划和应邀出席人的名单主要是沃尔特·赫尔曼·能斯脱(1864--1941)筹划安排的 。能斯脱既是柏林的物理化学教授，又是那个时期第一流的热力学家之一，德国科学界的一 名权威。他发现过一条重要的定理，这一定理通常就叫做热力学第三定律。按照这条定律， 任何纯物质在绝对零度下的熵都为零。能斯脱的定理深深扎根于量子理论之中。由于H．A． 洛伦兹在物理学方面地位显赫，通晓多种语言而又善于外交，并享有很高威望，每次都受到 邀请，经常担任大会主席。由于出席人数的严格限制，以及应邀与会者的水平，从而使讨论 气氛生动活泼，收益显著。按照惯例，比利时国王总是邀请与会者出席一次晚宴，以表示对 大会的关心。由于这种场合下的多次见面，爱因斯坦同比利时王后伊利沙白建立了友谊，且 同她保持了多年的联系。
图5.4 1911年索尔维会议的参加者。站立者，从左至右：O.哥尔德施米特 (O.Goldschmidt)、M.普朗克、H.鲁宾斯、A.索末菲、T.林德曼(T.Lindemann)、 M.德布罗意(M.de Broglie)、W.克努森(W.Knudsen)、E.哈泽内尔(E.Hasenohrl)、 H.霍斯特莱特(H.Hostelet)、T.赫曾(T.Herzen)、J.琼斯、E.卢瑟福、
H.卡默林-昂内斯、A.爱因斯坦、P.郎之万。坐着的，从左至右：W.H.能斯脱、 M.布里渊(M.Brillouin)、E.索尔维、H.A.洛伦兹、O.华尔堡(O.Warburg)、 J.佩兰、W.维恩、M.居里、H.庞加莱
在1911年的那次大会上，普朗克像往常一橡发表了一个保守、谨慎的观点，正在逐渐成
为一名公认的台柱人物的爱因斯坦，思想却更为活跃。其后不久，当爱因斯坦被提名为苏黎 世工业大学教授的时候，曾在索尔维大会上见过爱因斯坦的玛丽·居里和庞加莱在他们的推 荐信中，曾明白地表达了对爱因斯坦的祟高评价。
1912年，爱因斯坦到了苏黎世工业大学，但他在那里呆的时间是短暂的。柏林的主要物
理学家们都要求爱因斯坦能回到德国的首都。为此，他们向爱因斯坦发出了非常吸引人的建