除了相對論之外,愛因斯坦還有許多非凡的科學成就

2020-11-24 騰訊網

法國數學和科學家彭加勒在《科學與假說》一書中談到:科學家對自然規律的再現應該體現簡明性、對稱性和基礎的統一性。他在對物理學概括時認為，物理學面臨著三個緊迫性的根本問題，以太漂移實驗、光電效應和布朗運動。不知是因為機緣巧合，還是因為愛因斯坦就是一位專門解決難題的科學巨匠，在1905年時年輕的愛因斯坦發表了6篇論文，幾乎完美地解決了彭加勒關心的所有物理學難題。《論運動物體的電動力學》和《物體的慣性取決於它的能量嗎？》是愛因斯坦創立狹義相對論的論文，完全解決了彭加勒關心的以太漂移問題；《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》和《關於布朗運動的理論》對分子的布朗運動進行了很有力的解釋；《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》這篇論文是量子理論發展史中一篇極為關鍵的研究文獻，同時也開創了物理學中光電效應分支學科。

當時的物理學界對普朗克開創的量子理論響應極為冷淡，科學家們雖然接受普朗克提出黑體輻射公式，但是對普朗克的量子假說卻敬而遠之，而愛因斯坦是第一個認真對待普朗克的量子假說的年輕學者。愛因斯坦在1904年時完成的博士論文《分子大小的新測定法》，對液體中的原子彈跳進行統計分析，這項內容成為物質原子性質的最佳例證，愛因斯坦計算的原子運動方程與普朗克輻射公式在數學上極為相似，那麼光在數學上可能與原子類似，從物理學的角度上來講，光也應該具有類似原子的某些特徵，愛因斯坦決心探究光子的奧秘。愛因斯坦思考，如果說光具有原子的某些特徵，也許光有可能會像物質一樣以濃縮的形式存在，有沒有可能存在物質一樣的「光原子」？另一個難點是，也許「能量子」躍遷輻射的光能量脈衝並不是像普朗克設想的「向四周擴展」，光能量脈衝能否在一個小範圍，這兩個問題是愛因斯坦的主要疑團。愛因斯坦認為，能量在空間傳播時也是不連續的，能量也是一小份一小份地以「波包」的形式傳播，光是一系列濃縮的波包而呈現的「光子流」，愛因斯坦推測每個光子的能量應該等於普朗克的「能量子」，即普朗克常數與光的頻率，當電子發生躍遷時就會產生光子，當電子吸收光時，光子就會消失。

早在1887年赫茲就已經發現了光電效應的一些現象，赫茲在進行電磁實驗時注意到電極之間會受到紫外光的影響，赫茲經過多次實驗證實了這種效應，隨後發表了《紫外光對放電的影響》的論文。後來一些科學家證實，這種光電效應是紫外光照射金屬表面引起電子的發射。光電效應與熱輻射不同，並且具有更為複雜的多樣性，幾乎所有物質都會進行熱交換，但光電效應會因為物質材質的不同，呈現出電子發射強度的巨大差異。

愛因斯坦為此對光的粒子屬性尋找證據，但當時科學界在光電效應研究上既不系統，實驗數據也不夠精確，然而愛因斯坦還是在這些零星的資料中找到了他需要的珍寶。愛因斯坦注意到，雖然電子可以在金屬物質內部移動，但是電子不會輕易地逃逸出金屬物質，電子被束縛得非常緊密，除非利用非常高的溫度「蒸發」出電子，或者以非常強的電場激發出電子。再來審視一下光對電子產生什麼結果，對於相同的金屬材質，如果使用藍色光或者紫外光照射，電子就會呈現較高的能量射出；如果使用頻率較低的黃色光，則電子射出的能量也相應較低；更低頻率的紅色光一般難以引發電子射出。1902年德國物理學家勒納德用不同頻率的光照射鈉汞合金時發現，只有達到一定頻率能量的光才能誘發鈉汞合金中的電子射出，被誘發出來的電子的速度與光的頻率和能量有關。光的頻率越高其含有的能量也就越大，根據普朗克對黑體輻射的研究結論，光是以「能量子」的形式發出的，也就是光以脈衝進行輻射，愛因斯坦認為，普朗克的「能量子」實際上就是光子的濃縮波包，那麼每一個光子攜帶的能量都會集中在單個電子上，單個電子吸收光子就會獲得了光量子的全部能量。具有高能量的藍色或者紫外高頻光，可以提供電子足夠的能量，使得電子從金屬物質中激發出來，光子的能量越高，金屬發射電子的強度也會越高，低於一定頻率的較低能量的光，電子不會得到逃出的能量，所以電子就不會射出。

愛因斯坦假設光是以光子流的形式輻射，單個電子吸收光子的能量，他運用能量守恆定律推導出如果光子小於金屬材料的電子逃逸能量，那麼能量較低的光就不能使電子射出，而光的頻率與光電子發射的能量呈現線性關係。愛因斯坦的光電效應學說有一個顯著的特點，電子發射的能量與入射光的頻率線的斜率恰好等於普朗克常數。愛因斯坦並不滿足於光量子論的理論範圍，接下來1906年愛因斯坦運用量子概念解釋了低溫時的固體比熱；1912年愛因斯坦將量子概念用於光化學現象，並且提出光化學當量定律。1916年愛因斯坦在丹麥科學家玻爾的原子能量躍遷的基礎上撰寫了《論輻射的量子性》論文，提出原子能量受激輻射的新觀點。受激輻射是指系統中維持在高能態的原子數量多於低能態的情形下，受激輻射的能態佔有優勢，只要有一個光子被激發，就會產生大量的運動方向和頻率完全相同的光子。愛因斯坦的受激輻射成為後來雷射技術的理論基礎。

本文系作者原創，未經作者許可不得轉載。素材來源於《從混沌到有序—妙不可言的宇宙》一書。

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  • 愛因斯坦除了《相對論》外,還有什麼成就?
    愛因斯坦可以稱得上是極為全面的理論物理學家，當然這裡不包括實驗物理。二十世紀初，誕生了兩大物理學理論，一個是量子力學，一個是相對論。愛因斯坦幾乎是一個人完成了整個相對論的理論。但除了相對論，他還有很多其他科學成就。
  • 除了愛因斯坦之外,還有哪位科學家有可能發現相對論?
    雖然在愛因斯坦生前，相對論並不受到科學界的認可，愛因斯坦也沒有因此獲得諾貝爾物理學獎，但是相對論對於科學界的影響和價值、意義，是沒有辦法取代的，也是其他理論沒有辦法比肩的。特別是伴隨著越來越多相對論中的理論被發現，人們對於相對論，也越發重視，甚至很多人都將相對論視為指路明燈。
  • 除了相對論,愛因斯坦的成就遠比你想像的多得多
    愛因斯坦最著名的要數相對論了，相對論包括狹義相對論和廣義相對論，愛因斯坦曾經說過，如果他不提出狹義相對論，5年後也會有人提出狹義相對論，但是如果他不提出廣義相對論，50年後也不一定有人能夠提出廣義相對論。這足以證明相對論是前無古人後無來者 的理論。
  • 相對論為啥沒獲諾獎？來看看愛因斯坦和諾貝爾獎的「恩怨」
    無論是他生前還是身後，都有許多人對諾獎委員會沒有因相對論而給愛因斯坦頒獎耿耿於懷，甚至被視為諾貝爾獎的遺憾。對愛因斯坦本人來說，諾獎委員會對相對論的態度也是令他不快的。幸得一知己值得一提的是，愛因斯坦從一位科學共同體之外的專利局員工
  • 楊振寧的科學成就能和愛因斯坦比肩嗎？他只能排到第四梯隊！
    很多朋友都喜歡將楊振寧和牛頓以及愛因斯坦還有麥克斯韋等偉大的科學家相比較，其實這也無可厚非，畢竟楊振寧是在科學界的華人中成就最高的。縱觀整個科學史，能夠得上如此頂尖水準的也屈指可數，那麼楊振寧和他們比起來，究竟誰高誰低呢？
  • 愛因斯坦是個「渣男」?除了幾任妻子之外,他還有很多的情人
    說起人類歷史上最偉大的科學家，愛因斯坦一定會名列三甲。直到今天，很多科學研究也都是以相對論作為參考，而且很多愛因斯坦生前看似荒誕的預言，如今也正一一的變成現實。那麼，拋開愛因斯坦的成就不談，愛因斯坦個人的感情經歷又是如何呢？
  • 愛因斯坦相對論手稿真跡將在臺灣展出
    新華社臺北１月１１日電（記者喻菲　李凱）愛因斯坦親筆寫下的科學史上最著名的質能公式手稿真跡、廣義相對論手稿、他獲得的諾貝爾獎章以及許多從未曝光的書信檔案將在臺北展出，觀眾將有機會了解這位科學天才不為人知的一面。
  • 愛因斯坦的相對論那麼偉大,為什麼沒有因為相對論獲得諾貝爾獎?
    當然，你可能不是很了解朗道，這是因為他的成就主要集中在量子力學，而我們一般人所受到的教育很少會接觸到量子力學。但朗道的頒獎詞叫做：朗道十誡。意思就是說，朗道是因為10個巨大的科學成就獲得諾獎，這在整個科學家都是極其少見的。朗道其實就屬於讓諾貝獎榮光的科學家。
  • 科學家發現引力波,圓滿了愛因斯坦廣義相對論,它的意義非凡
    人類進入科技發展的道路之後，出現了一些偉大的科學家，其中愛因斯坦就是最偉大的物理學家之一。愛因斯坦最偉大的成就就是相對論的提出，尤中廣義相對論是人類探索宇宙重要的指引。不過，愛因斯坦的廣義相對論並不完整，它還缺乏一個重要的東西，那就是引力波。
  • 科學大師愛因斯坦提出「相對論」新時代進步的意義
    愛因斯坦相對論的的出現，讓當時人們對世界有了更深刻的認識。儘管世人的疑惑與不解是他非常的痛苦，尤其是誤解。但可以說他的出現確實讓人類向前邁進了一大步。對時間，時空，宇宙等等事物有了更清晰的認知。雖然它的推薦困難重重，但是最後還是被認知。相對論所帶來的衝擊，與公眾對弗洛伊德學說的接受幾乎同時，這使得它的衝擊格外有力。
  • 愛因斯坦發現了相對論,但為什麼沒有獲得諾貝爾獎,原來是這樣
    愛因斯坦發現了相對論，但為什麼沒有獲得諾貝爾獎，原來是這樣大家好，歡迎關注「精彩歷代史」，今天呢，又到了小編每天給大家講講歷史的時間，希望各位看官們看完心情愉悅，看的高興，現在就讓小編帶你們走入歷史的世界，一起暢遊歷史的海洋吧
  • 愛因斯坦啊，你為何總是正確的？新觀測結果再次證明了廣義相對論
    在人類科學史上，相對論無疑是最值得人們稱道的科學成就。在一百多年前，愛因斯坦就提出了狹義相對論和廣義相對論，直到今天，我們仍然還在試圖證明其中的理論，並且，每一次都證明：愛因斯坦是正確的。去年的時候，科學家們公布了人類歷史上第一張黑洞照片，正式「發現」了從愛因斯坦的相對論中推導出來的這種天體，讓它從理論變成了實際，證明了愛因斯坦的正確性。
  • 愛因斯坦的光環,除了相對論,究竟怎樣才能成為天才?
    如果你問十幾個人他們對阿爾伯特·愛因斯坦的了解，答案可能會是關於他的天才傳說和相對論理論。2017年4月25日，國家地理頻道將首次推出系列劇集《天才》，以一種你可能從未見過的方式來審視愛因斯坦的生活。《天才》一部10集的系列劇，不是關於科學的故事，而是阿爾伯特·愛因斯坦在36歲時引入廣義相對論，成為世界上第一個現代名人的旅程。在愛因斯坦的一生中，科學家備受尊敬。19世紀末和20世紀初，歐洲在現代科學的復興中，對文學、政治、文化和社會劇變進行了回溯。從1918年到第二次世界大戰，世界見證了哈布斯堡王朝的崩潰，現代共產主義的誕生，地域戰爭和全球戰爭。
  • 牛頓和愛因斯坦，哪個更厲害？
    牛頓、愛因斯坦一生碩果纍纍，成就非凡，儼然成為天才的代名詞。但據說他們幼年有許多智商「低劣」的表現。愛因斯坦在五歲的還不會開口說話，說實話，一般兒童在周歲基本就會說話了，二歲就能跟別人犟嘴皮子了，五歲才會說話，確實有點發育「遲鈍」。但別以為這真是智商低劣的表現，中國也有一位五歲才會說話的大人物——王陽明。王陽明成就斐然，與孔子孟子朱熹齊名，被稱為孔、孟、朱、王，一生著作非凡，思想家文學家軍事家等等頭銜，被證明也是地地道道的天才人物。
  • 專訪《相對論之路》作者:最早科普相對論的正是愛因斯坦本人
    在愛因斯坦誕辰140周年之際，上海世博會博物館舉辦了一場關於這位科學巨匠的特展「啟初·天才相對論——愛因斯坦的異想世界」，吸引了許多科學愛好者的目光。哈諾赫·古特弗羅因德：在希伯來大學的愛因斯坦檔案館中，藏有8萬餘份檔案文件，內容非常豐富，包含了愛因斯坦跟其他科學家、哲學家、政治家的信函往來，同時還有他的一些學術論文的手稿，他在公開場合演說的稿件，以及他寫的一些散文。事實上，愛因斯坦對於所有跟人類活動相關的話題，都表達過自己的觀點，所以檔案館裡收藏的內容非常豐富。
  • 愛因斯坦廣義相對論手稿原件來滬展出,楊振寧也來參觀了
    楊振寧和愛因斯坦本人有過接觸，他說：「愛因斯坦是我非常佩服、仰慕的物理學家。二十世紀開頭三十年有三大觀念革命，分別是狹義相對論、廣義相對論和量子力學。其中有兩個半是愛因斯坦的貢獻。他對於物理學影響深遠，對我們的日常生活也有極大影響。」
  • 他都有什麼科學成就？
    在理論物理學的發展中，一共可以分為幾個大的階段，分別是：經典力學，電磁學，相對論，量子力學。在量子力學之後，科學家還發展出了著名的粒子物理標準模型，這是距離我們這個時代最近的理論物理學的偉大成就。除了楊米爾斯理論之外，楊巴斯特方程也是十分重要的科學成果
  • 他都有什麼科學成就?
    牛頓和愛因斯坦應該會是最高頻出現的，他們都同屬於理論物理學，前者提出了萬有引力定律和力學三大定律，奠定了經典物理學的框架。後者提出了相對論等偉大的理論，是20世紀最傑出的理論物理學家。
  • 除了光速不變之外，相對論還有一個比較有趣的概念
    關於相對論相比大家都不陌生，其實除了光速不變之外，相對論還有一個比較有趣的概念，叫&34;，就是說物理定律在任何環境都不變。相對論中還有一個有趣的結論，比如說&34;這個概念也是相對的。在相對論提出來之前，人們認為同時是絕對的。
  • 牛頓的成就可以獲得幾次諾貝爾獎?
    本文來自：百度知道日報毫無疑問，愛因斯坦是二十世紀最偉大的物理學家，他為現代物理學做出了開創性的貢獻。但出於種種原因，愛因斯坦只獲得了一次諾貝爾物理學獎。物理學家A.Douglas Stone總結了愛因斯坦的成就，認為他足夠獲得7次諾貝爾物理學獎：光電效應、狹義相對論、廣義相對論、光量子、自發發射和受激發射、德布羅意波、玻色-愛因斯坦凝聚態。愛因斯坦在物理學上取得非凡的建樹，縱橫古今，也只有自然科學集大成者的牛頓才能與之抗衡。與愛因斯坦天才般的想像力不同，牛頓用他那無與倫比的邏輯和數學天分使觀察結果表述為定理公式，並通過嚴謹的數學來進行證明。