馮端:愛因斯坦對實驗和技術物理學的影響

2020-11-24 中國科學院

作者：南京大學物理系 馮端



2004年6月，聯合國大會宣布將2005年定為世界物理年。之所以選定2005年，是為了紀念愛因斯坦的奇蹟之年l00周年——1905年，愛因斯坦先後發表了5篇具有劃時代意義的論文而被世人稱為奇蹟。世界物理年將通過展示物理在經濟、技術、文化等方面的重要作用，進一步增進公眾對物理學的理解。因此，簡略介紹愛因斯坦的科學工作在物理學中的傑出貢獻及其對世界與公眾所產生的深遠影響很有必要。下面將從四個方面介紹愛因斯坦對實驗物理學和技術物理學的貢獻和影響。

1.揭開了原子世界的帷幕

物理世界系由原子—分子組成的這一設想由來已久，但一直受到一些標榜實證論、唯能論的科學家之非難和質疑。他們認為原子—分子缺乏令人信服的實驗證據。

愛因斯坦從大學畢業起，就在分子運動論和統計力學方面進行理論研究。1905年5月，他發表了題為《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》有關布朗運動的著名論文，推斷出懸浮粒子的尺寸約為微米(10-6米)量級，正好處於宏觀世界和微觀世界交結處。當時科學界尚不具備直接觀察微觀領域的實驗手段，而液體中的懸浮粒子的尺寸，正好在介於微觀粒子和宏觀物體的中間區域，小到足以感受分子不均衡的撞擊力，而大到光顯微鏡看得清楚的尺度。到1908年，法國科學家貝蘭用顯微鏡對大量等徑的布朗運動粒子進行了實測，定出阿伏加德羅常數，給出原子—分子存在的證據。這樣，就打開了原子世界的大門。20世紀，物理學家登堂入室，研究重點即在於對微觀世界的探索：原子、原子核、基本粒子，並從微觀的角度來研究固體物理和分子物理。

2.光子學的創建及其發展

1905年，愛因斯坦發表《關於光的產生和轉化的一個啟發性的觀點》論文，提出了光量子(光子)的概念，可以說是光子學的誕生。愛因斯坦將光子實體化，認為光的吸收和發射均是以能量為hv的光子為單元來進行，具有鮮明的物理意義，並引證勒那德當時有關光電效應的實驗結果作為例證。隨後，密立根更細緻地測定了光電效應的頻率極限，從而求出普朗克常數的數值，精確地驗證了愛因斯坦理論的可靠性。

1916年，愛因斯坦在《論輻射的量子理論》的論文中對光的理解又深入了一步：提出了不僅有確定的能量hv，同時還有確定的動量hv/c。該論文進一步擴充了玻爾的能級躍遷導致光發射或吸收的理論，闡述光的受激發射的概念。

1960年，梅曼製造出第一臺紅寶石雷射器。雷射是以相同頻率、相同動量的光子流構成的相干光束。它的出現立刻在光學和光譜學中引發了一場革命，使光子學與光子技術進入了成年期。光子學在技術上的應用，諸如通信、存儲、全息、掃描、顯示等，已經進入了千家萬戶，其重要性堪與電子學並駕齊驅。

3.質能關係的利用

愛因斯坦在1905年發表《論動體的電動力學》和《物體的慣性同它所含能量有關嗎？》兩篇文章，其中包含了狹義相對論基本輪廓和由之引伸出來的質能關係。這裡強調它在實驗物理學和技術物理學中的應用。

狹義相對論對牛頓力學進行了重要的修正，體現在所推導出來的質能關係中。質能關係包含兩點：其一是物體的質量是和運動的速度有關的；二是物體的靜止質量可以與能量互相轉換，即E=mc2。20世紀30年代，物理學家就開始了設計和建造粒子加速器。愛因斯坦的質能關係雖也適用於宏觀物體，但要將宏觀物體加速到可與光速相比的程度是難以實現的。而粒子加速器卻可以將電子、質子等微觀粒子加速到必須要考慮相對論修正的程度。現代加速器的設計、運轉都離不開粒子質量與速度的關係。可以說，加速器的實驗天天都在驗證質能關係的正確性。核能的利用也是體現這一關係的技術例證。

4.將量子論引入了固體物理

長期以來，根據分子運動論導出的表徵比熱的杜隆—玻替定律是一個不隨溫度改變的常量。但事實上固體的比熱在低溫下顯著下降，到T→0，比熱也趨於零。這樣的結果無從用基於能量均分定理的經典理論來解釋。1907年，愛因斯坦發表題為《普朗克的輻射理論和比熱理論》的論文，將量子理論應用於固體比熱的問題上，取得比熱數值隨溫度下降而減少，並當T→0亦趨於零的結果。愛因斯坦採用了獨立振子的模型，沒有考慮原子間的耦合問題。隨後，1912年，德拜將此模型進行改進，考慮了原子間的耦合問題，獲得了更好的結果。1912年，玻恩與馮卡門提出晶格振動的經典理論，再引入量子化條件，從而建立了晶格動力學理論框架，可以更全面地處理固體熱性質和介電性質等方面的問題。緊接著，固體電子論又取得了重大突破，基於費米—狄拉克統計的自由電子論和基於量子力學的能帶理論，先後問世，固體物理學的發展獲得重大突破。而愛因斯坦首先將量子論引入固體物理，功不可沒!

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