愛因斯坦對量子概念的堅守

2021-01-17 同濟量子力學

受以前史學文獻的影響,大家認為愛因斯坦在量子力學發展中除了光電效應以外,就是和玻爾的爭論,這篇和下一篇文章展現給大家愛因斯坦對量子力學的堅守態度,消除大家的一點歧義。

從1905年,提出光量子概念完美解釋光電效應以後,愛因斯坦還持續20多年將量子概念拓展到固體性質和輻射性質的研究。這裡給出1907年和1909年他發表的4篇主要文章的思想。




固體比熱


1907年,愛因斯坦發表了兩篇論文(Ann. Phys. 22, 1907, 180–190; Ann. Phys. 22, 1907, 800),。在這兩篇論文中,他證明普朗克的量子論導致了對熱分子運動論的修正,並由此得到了固體的熱學行為和光學行為的某種聯繫。愛因斯坦根據振子平均能量的推導重新得到了普朗克分布公式,他進而指出:「雖然我們過去—直設想分子的運動是同樣嚴格遵循著我們的感官[所感覺到的]世界中,物體運動所遵循的那種規律(我們基本上只要添補一個完全可逆性假設),可是我們現在需要作這樣的假設:能夠參與物質和輻射的能量交換的、以確定的頻率振蕩著的離子,它們能夠採取的種種狀態,少於我們日常經驗中物體可能採取的各種狀態。我們必須假設,能量的交換機制是這樣的:基元實體的能量只能取0,hv,2hv等值」。

 對愛因斯坦來說,這並非問題的全部,他繼續寫道:「如果輻射理論接觸到了事物的核心,那麼我們必須期望在其他熱學理論領域中也可以發現現代分子運動論和經驗之間的矛盾,這些矛盾可以用這裡所採取的方法來消除。」

愛因斯坦將量子化的概念應用於固體原子的振動,這是理解熱特性,特別是比熱的溫度依賴性所必需的。固體中的原子可能在其平衡位置附近發生振動;根據經典定律,含N個原子的固體應貢獻N·3K的振動比熱(杜龍-珀蒂定律),與振動頻率和溫度無關。當溫度足夠高時,這一經典極限確實適用於許多固體,但較低的溫度或多或少地與經典預測有較大偏差。特別是在含有輕原子的固體上的實驗——在那裡可以預期高頻——呈現低溫下的比熱要低得多。

愛因斯坦根據其對普朗克公式的推導,愛因斯坦得到了一個原子平均能量公式,把該式對溫度微分,可得每克當量這種原子所組成的固體對比熱的貢獻。愛因斯坦的比熱公式暗示出:在足夠低的溫度下,所有固體的比熱必然要趨近於零。所以他得出結論:物質也表現出量子行為。為了獲得一個定性的理解,他還把可能的振蕩頻率換成一個單頻,νE,(他自己稱之為粗略的假設)。普朗克量子化假設用於計算平均能量和比熱。對低溫,即大的hνE/KT值得到了比熱的指數小值,而高溫時,回到經典極限。將實測的200 ~1300K金剛石的比熱與理論計算結果進行了比較,取得了較好的一致性。

愛因斯坦的比熱理論成功地解釋了一些長期存在的困難問題,預言了一些新規律,並且在晶體的熱、光和彈性性質之間建立起意想不到的關係。這一切,對喚起物理學家對量子論的興趣起了非常重要的作用。當時,正值科學家對低溫下的比熱感興趣之際,能斯脫和他的合作者首先在液態空氣,後來在液氫溫度下測量了固體的比熱,在所有本質方面均與愛因斯坦的理論預言一致。

因此,愛因斯坦將量子化的概念擴展到包括物理、輻射、物質及其相互作用的所有現象。在上述第一篇論文中,他將物質的振蕩過程與光量子的發射或吸收聯繫起來;第二篇很短的論文增加了一處更正;非輻射振蕩也是同樣可能的。


輻射場的動量和能量漲落


在1909 (Phys. ZS. 10, 185–193, 1909;and Phys.ZS. 10, 817–826, 1909) 愛因斯坦討論了電磁場的能量和動量漲落,並證明實驗建立的輻射定律與攜帶能量e=hn和動量e/c的光量子粒子概念完全兼容。

在第一篇論文中,愛因斯坦明確地提到了光量子的動量(儘管他在1905年沒有這樣做,尤其是對愛因斯坦而言—很明顯,以光速運動的點狀能量量子必須具有與相對論相一致的動量)。愛因斯坦導出了輻射在平衡狀態下的能量和動量漲落,並將漲落特徵與輻射譜函數形式聯繫起來。他證明了能量密度的均方漲落(du)2由兩項之和組成,第一項與能量u成正比,第二項與u2成正比。在經典波理論中,只有與u2成比例的項才會產生漲落,這種漲落是由波長相近的波之間的幹涉引起的,即二階效應。

愛因斯坦證明了在可見光和更高頻率下佔主導地位的是與u成比例的線性項,這是自由粒子的一個典型結果,支持光量子的存在。他堅持認為,由於漲落的結果是由普遍有效的漲落特性推導出來的,而且只依賴於普朗克分布定律的函數形式,所以經典的波動理論與根據譜分布建立的實驗結果是不相容的。只有在非常高的輻射強度下(在經典極限下),與u2成比例的項才變得重要。愛因斯坦提到,由於這兩個漲落項之間的相加關係,它們表現出是具有獨立起源的漲落。

上述第二篇文章(Phys. ZS. 10, 817–826, 1909)是愛因斯坦在德國科學家協會年會上演講的再現 (81.Versammlung deutscher Naturforscher und Ärzte, Salzburg, 21 Sept 1909),該文最後包括一個討論部分,在討論中由普朗克表達了他對愛因斯坦光量子的反對意見。普朗克認為,麥克斯韋方程組仍然是電磁輻射的完整描述;他的結論是,幹涉現象不可能產生於一個基於粒子特性的輻射量子理論。量子效應應限於物質與輻射的相互作用,特別是發射和吸收過程。普朗克承認,目前對自由輻射和物質之間相互作用的認知仍不明朗;發射和吸收過程要求「諧振子」具有很強的加速度,這超出了傳統的描述。普朗克認為,這些鮮為人知的過程可能是將諧振子能量限制為基本量子的整數倍的原因。

愛因斯坦對普朗克的答覆給出了輻射量子和麥克斯韋方程之間的聯繫是如何實現的。早在1905年愛因斯坦提出光量子概念的論文中,他就明確指出波動理論對平均值仍然有效。愛因斯坦提出,電磁波應該由宏觀量子數組成,它是平均形式的向量場;所得場的有效方程應與麥克斯韋方程組一致。他將此與帶有電荷的宏觀物體產生靜電場的起源進行了比較,這些宏觀物體本身由大量攜帶有限電荷的基本粒子組成。場描述這些平均值。因此,麥克斯韋方程被認為是唯象方程的作用,與原子尺度上的詳細結構無關。關於在波動光譜中與u2成比例的幹涉項,愛因斯坦說他認為與光量子的粒子概念沒有矛盾。


喜歡請戳





相關焦點

  • 愛因斯坦算不算是量子力學的奠基人之一?
    可能很多人都知道愛因斯坦和量子力學的旗手玻爾之間的爭論,也聽說過他的不相信「上帝在擲骰子」,如果只看這兩點,容易讓人錯誤的認為愛因斯坦不是量子力學的奠基人之一。其實愛因斯坦對量子力學的建立有著巨大的貢獻,包括量子力學的奠基。
  • 愛因斯坦、玻爾和量子力學
    5年以後的1905年,愛因斯坦指出,電磁波本身就是由一份一份的量子組成的,叫做光量子。20年後被簡稱為光子。這是愛因斯坦本人唯一自稱具有革命性的工作。這與普朗克的量子假說並不一樣,就好比,普朗克說,從水缸裡舀水時,一勺一勺地舀;而愛因斯坦說,水本來就是由一勺一勺組成的,不存在半勺水的概念。
  • 網友問:愛因斯坦是量子力學的創始人,最後為何又反對量子力學?
    愛因斯坦當初並不反對量子力學,而是反對量子力學的根本哈根詮釋中,那種模稜兩可的詮釋。愛因斯坦是量子力學的創始人之一,他解釋光電效應的論文還獲得諾貝爾物理學獎;量子力學本是一個泛概念,在量子力學誕生之初,波爾等人建立起來的量子力學系統稱為根本哈根詮釋。
  • 【名家說第38期】愛因斯坦的量子理論
    前面我們已經分享愛因斯坦的生平和他的相對論,今天我們將繼續跟大家分享——愛因斯坦和相對論這一節我們介紹愛因斯坦的量子理論。本文節選自北大物理學教授秦克誠先生的《方寸格致》!大戰期間,愛因斯坦仍然沒有間斷他的科學研究。1915年到1917年這3年是愛因斯坦第二個科學創造高峰期。1916年除完成了廣義相對論外,還發表論文《關於輻射的量子理論》,在玻爾的量子躍遷概念的基礎上,進一步發展了光量子理論,提出了自發輻射和受激輻射這兩種輻射形式和躍遷概率的概念,奠定了雷射的理論基礎。1917年他用廣義相對論的結果研究宇宙的結構,開創了現代宇宙學。
  • 極簡量子物理學|秒懂核心概念
    中國在2018年6月,率先全世界,發射了一顆量子通訊實驗衛星——但是多數非專業人讀者認為量子學非常深奧抽象。本文通過對幾個最基本概念的梳理,可以讓你瞬間秒懂!——至少在宏觀邏輯、或管理思維、哲學思維層面,可以開始用量子物理學來理解這個「新世界」、「新宇宙」了!
  • 量子力學是如何拯救愛因斯坦的自由意志的?
    1934年,阿爾伯特·愛因斯坦厭倦了量子力學。尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡關於量子波函數不確定性原理等奇異概念的理論席捲了整個物理世界。就愛因斯坦而言,量子力學要成為宇宙的「完整」理論還有很長的路要走。問題是量子力學是用數學表達的,不符合我們用來討論貝特曼的襪子的隱變量的概念。
  • 愛因斯坦反對量子力學是誤解
    多年以來,愛因斯坦的話已經成了他反對量子力學及其隨機性的標誌,但人們其實誤解了他。類似地,愛因斯坦就是試圖尋找一個決定論的亞量子層次,同時保證量子層次仍然是概率性的。愛因斯坦怎樣被貼上了「反量子力學」的標籤,和量子力學本身一樣是個巨大的謎團。「能量子」(quanta)——不連續的能量單元——這個概念就是他在1905年的思想結晶,而且事實上在其後的15年內,只有他一個人支持能量量子化的觀點。愛因斯坦提出了今天被普遍接受的量子力學的基本特徵,比如光既可以表現得像粒子又可以表現得像波動,而埃爾溫·薛丁格(Erwin Schr?
  • 想要學好量子力學就必須明白此概念:量子不是粒子,而是一種概念
    量子講堂第一期:量子力學中的量子並不是一種實在粒子,而是一種物理概念量子力學的誕生絕非是一種偶然,而是物理學發展的必然結果,因為在19世紀末期,由伽利略、牛頓構建的經典力學物理體系趨於完善,物理學家一度認為世界上所有的事情都可以使用經典力學去解釋
  • 愛因斯坦攻擊量子力學所憑何據?
    .但在EPR的論文中,愛因斯坦已經不懷疑這一點,而是評點了量子力學的完備性.從此之後,愛因斯坦對量子力學就一直了採取一種超然態度:我不帶你們玩兒!愛因斯坦清楚地意識到:不能在量子力學系統內攻擊量子力學! 如果要攻擊量子力學,必須從外部進行.他提出如下假設:在非相對論性量子力學中,也應該遵守定域性:對粒子1進行的任何測量,都不應該對遠處的粒子2產生影響.為什麼說愛因斯坦是在量子力學的外部俯視量子力學呢?
  • 愛因斯坦作為量子力學的奠基者為何卻又反對波爾等人的量子理論?
    愛因斯坦對於量子力學的態度一直沒有變,只是愛因斯坦認為量子力學發展到後期幾乎變成的玄學,他認為波爾、海登堡等人提出的哥本哈根式量子力學釋義是不完備的,只是接近真理而已,還不是真理。愛因斯坦愛因斯坦雖然是量子力學的創始人之一,但其實愛因斯坦等人對於量子力學的認識仍舊局限於經典的物理學
  • 從愛因斯坦的好奇心到量子信息科技
    我從愛因斯坦一個觀點講起。愛因斯坦應該是我們歷史上最偉大的科學家之一,他有一個信念,上帝是不擲骰子的,什麼意思?大家肯定學過牛頓力學,它告訴我們,比如衛星發射之後,可以計算什麼時候衛星會經過我們的頭頂。也就是說,所有粒子的運動狀態都是可以精確預言的。那麼,如果把這個問題進一步延伸一下,就會引起這麼一種概念,就是決定論。
  • 愛因斯坦混淆了「物質」與「能量」這兩個概念
           愛因斯坦混淆了「物質」與「能量」這兩個概念。       在量子力學範疇,「物質」(激發態)是金屬態氫離子;「能量」是金屬態氫離子的「磁力矩」切割磁力線釋放的電磁波。
  • 雷射技術的產生和發展,愛因斯坦對雷射的見解,提出受激輻射概念
    愛因斯坦以他極其深刻的洞察力在二十世紀一系列重大物理課題上進行了開創性和奠基性的工作,輻射 問題就是其中之一。他對輻射問題的許多大膽而深刻的見解,都被後來的科學技術發展證明是正確的。但愛因斯坦從未放棄對輻射本質更深入的探索,他曾說:「只要我活著,我還要思素,光究竟是什麼?」為完滿解決黑體輻射理論問題回,普明克於1900年提出「量子」假說。愛因斯坦看出了「量子」概念的深遠意義,並把它加以發展。
  • 什麼是量子力學?愛因斯坦起到什麼作用,量子力學就在我們身邊
    一直存在爭議,對於大部分人來說,聽到關於量子力學的事,估計就是這一句梗了吧:遇事不決,量子力學,解釋不通,穿越時空從這一句話裡不難看出量子力學對於現在的我們是一個很高深,很難懂的學科。那麼量子力學究竟是什麼樣的呢?
  • 愛因斯坦與量子力學所展現的微觀實用性
    這就是我們有點明白,為什麼在日常生活中我們不會直接遇到量子力學的概念方面的問題。由於實驗證實,量子力學確實可以描述基礎物理學,所以它對我們有關實在性的基本信念形成了威脅。比如愛因斯坦就深受量子力學的概率性質所煩擾,他一再強調物理學決定著什麼、已經發生什麼、正在發生以及我們周圍的世界會發生什麼。物理學家不是賽馬活動的下注者,物理學也不是用來計算概率的。
  • 物理學的革命,愛因斯坦的光量子論的產生,以及光的波粒二象性
    大家好,今天小編給大家介紹的是關於愛因斯坦的光量子論的知識。下面就跟著小編一起來看看吧!第一個把量子概念認真貫徹下去,並努力加以發展,使物理學家們認識到它的重要性的是愛因斯坦。他意識到,量子概念帶來的,將是整個物理學的根本變革,需要建立新的理論基礎,而不是某些定律的局部修改。
  • 愛因斯坦一生中最大的錯誤是哪個?宇宙常數還是量子力學?
    愛因斯坦犯過兩個最大的錯誤,一個是他承認的宇宙常數問題,另一個是他一起開創,但卻愛恨交加反對了一輩子的量子力學。著名的愛因斯坦研究專家亞伯拉罕·帕斯在《愛因斯坦曾住在這裡》一書中說就算1925年後,愛因斯坦改行釣魚以度過餘生,這對科學來說也沒什麼損失。下面來看偉大的愛因斯坦到底犯了多大錯,居然淪落到釣魚都沒啥影響?
  • 風雲再起:玻爾與愛因斯坦的量子力學世紀大戰
    正所謂外行看熱鬧,不管是否了解量子力學的 人,對於科學名人間的一些軼事總不乏八卦之心。還記得幾年前找選題的時候無意間發現了20世紀那場經典的世紀大戰,其間刀光劍影、你來我往,激烈之處絲毫不亞於武林華山論劍。這不,時隔幾年後再次看見這場大戰風雲再起,又激發了滾滾內心熊熊燃燒的戰火。
  • 量子糾纏真的能超光速傳遞信息?——愛因斯坦的EPR悖論詳解
    量子糾纏是根據愛因斯坦為了反駁玻爾為首的哥本哈根學派的量子力學解釋而提出的一個稱為EPR悖論(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)設計的思想實驗。即愛因斯坦、波多爾斯基、羅森悖論。三人於1935年5月在《物理評論》上聯名發表的名為《可以認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?》
  • 愛因斯坦對量子力學的四大貢獻
    愛因斯坦的相對論開創了物理學的新紀元,但愛因斯坦對量子力學的貢獻卻並非所有人都理解 愛因斯坦無疑是20世紀最偉大的科學家,他的相對論開創了物理學的新紀元。但愛因斯坦對量子力學的貢獻卻並非所有人都理解,甚至有人認為愛因斯坦是極力反對量子力學的。那麼,愛因斯坦對量子力學的貢獻究竟有哪些?