「 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