編者按：
「E=mc²」這個公式，你知道是什麼意思嗎？1905年9月27日，愛因斯坦在《物理學年鑑》上發表論文，精確推導出這個公式，從而叩開了原子時代的大門，並且成為核能與粒子物理的重要理論基礎。
1905年愛因斯坦發表了幾篇重要論文，因此1905年在物理學上被稱為愛因斯坦「奇蹟年」（annus mirabilis）。100年後的2005年被聯合國教科文組織定為「世界物理學年」。英國《自然》雜誌的顧問編輯和著名科普作家Philip Ball撰寫了題為Claiming Einstein for Chemistry（讓愛因斯坦回歸化學）的文章，發表在英國皇家化學會的Chemistry World雜誌上。其原文可以在以下網址找到。http://www.rsc.org/chemistryworld/Features/2005/September/ClaimingEinsteinforchemistry.asp
Philip Ball是國際上著名的科學作家和雜誌撰稿人。2006年3月在Atlanta的美國化學會年會上，Ball獲得了美國化學會頒發的James T. Grady-James H. Stack Award for Interpreting Chemistry for the Public，即所謂向公眾解釋化學獎。也許Philip Ball說Einstein是地地道道的化學家正是他獲此獎的重要原因。
人們一直覺得愛因斯坦是物理學的天才。他引入的許多思想，對當時不少「正統」的物理學家來講是出乎意料的。通過Ball的文章，我們可以了解到可能正是愛因斯坦的思想發展的物理化學源流，使得他有別於一般的物理學家。當然，愛因斯坦作為一個物理學家的不足之處，可能也正是來源於他的這個物理化學背景。物理學家們一般認為自己要優於化學家和生物學家，愛因斯坦恰恰證明，真正偉大的科學是綜合的和交叉的，而不只是局限於某一個學科。愛因斯坦一開始是作為物理化學家而受到訓練的，所以他的博士論文，以及他開始尋找的教職都是與物理化學有關的。要理解這一源流，我們需要對物理化學作為一個學科的基本狀況有所了解。
物理化學關注的是物質性質和變化的本質。早期的許多物理學家和化學家都可以被稱作物理化學家，比如發現氣體定律的Robert Boyle（羅伯特 玻義耳）, 提出萬有引力定律的Issac Newton（牛頓）, 研究電磁轉換本質的Michael Faraday（法拉第）, 完成電磁理論的James Maxwell等。他們當時都被稱為自然哲學家（Natural Philosopher），他們的許多貢獻，是物理化學早期發展中的重要核心內容。目前人們基本上公認1887年是物理化學作為一個學科誕生的年份，因為第一份專門研究物理化學的期刊Zeitschrift fur Physikalische Chemie在該年創刊。 創辦人Wilhelm Ostwald（威廉 奧斯特瓦爾德，1909年Nobel化學獎） 在1877年的碩士論文中就宣稱：「現代化學需要變革。」他的努力的目標是將化學家們的注意力「從參與化學反應的物質轉移到化學反應本身的研究上來」，這自然包括化學反應的條件（熱力學）、進程（動力學），以及研究化學反應的條件和進程的物理方法。物理化學就在這樣的環境和目標下形成為一門研究化學反應本質的學科。愛因斯坦的父親在他找不到工作時，出於對兒子前程的擔憂，就是向著名的物理化學家威廉 奧斯特瓦爾德求助，希望幫助自己的兒子推薦一個物理化學家的工作。
17世紀以來開始的早期物理化學研究內容，主要是將力學的原理應用到化學問題上來。19世紀末，通過熱力學原理研究氣體、液體和固體中的化學問題成為物理化學研究的主流，人們關注化學中的熱、光、電等現象，化學中屬於物理化學的電化學、膠體和表面化學、氣體運動學、化學動力學、化學熱力學以及光化學等都在這一時期得到了發展。因此，物理化學研究的內容和手段一開始就非常地廣泛。早在1920年代，核磁共振（NMR）技術和量子理論還沒有發展和應用到化學問題之前，偉大的化學家G. N. Lewis就曾聲稱：「（自然）科學要麼是物理化學，要麼是核物理（Science is either physical chemistry or nuclear physics）。」按照Lewis的說法，物理化學將包括化學、生物學、地學、宇宙學，以及大部分的物理學。同樣，照此說法，隨著核磁共振技術等的發展，今天的物理化學還包括部分核物理的內容。Lewis的定義是目前對物理化學的最為廣義的一個定義。這樣一個過於廣泛的定義，表明與物理化學相關的科學研究範圍的廣泛程度，在很大程度上也表明物理化學研究範圍的廣泛程度超出人們靠常識所能夠想像的範圍。
我應我的博士導師Eisenthal教授的邀請參加了給Philip Ball頒獎的2006年度的美國化學會的年度頒獎晚宴，因為他是該年度的美國化學會Joel Henry Hildebrand Award in the Theoretical and Experimental of Liquid獎的獲獎者。Hildebrand（1881-1983）是非常有名的物理化學家，Wiki百科上說"Hildebrand won virtually every major prize in the field of chemistry except the Nobel Prize.」 他曾長期擔任UC Berkeley的學院院長，為UC Berkeley整個學校在20世紀上半葉的學術發展和Faculty建設起到了重要的作用。Exxon－Mobil公司在Hildebrand已經90多歲時承諾說如果他活過100歲，就會捐錢以他的名義設立一個獎。謝天謝地，他最後活到了103歲，否則我也不會見到Ball的獲獎。
2005年底，應基金委化學部的之邀，我將這篇文章翻譯成了中文。全文如下。
****************************************************
作為化學家的愛因斯坦
（讓愛因斯坦回歸化學）
作者：Philip Ball
譯者：王鴻飛
2005年11月30日
題註：全世界的物理學家們都在紀念愛因斯坦提出相對論100周年，但Philip Ball試圖說明愛因斯坦其實是一個地地道道的化學家
簡而言之
a. 阿爾伯特 愛因斯坦關於狹義相對論、光電效應和布朗運動的文章均發表於100年前的1905年。該年度被稱作愛因斯坦「奇蹟年」（annus mirabilis）
b. 愛因斯坦通常被當做物理學家，但他在多方面的理論對化學產生了巨大的影響，包括證明原子和分子的存在
c. 相對論效應現在被化學家們利用來嘗試合成超重元素
阿爾伯特·愛因斯坦本質上是一個化學家嗎？今天他總是被當做理論物理學家們的標準原型，他們常常在黑板上寫滿神秘的和難以辨認的關於空間和時間本質的公式。但是，愛因斯坦的早期工作很大程度上關注的是物質的分子本質，這些工作牢牢地根植於具體的和現實可感知的事物之中。不僅僅是物理學家，化學家也應該紀念這一個銘記他最為重要的發現的百周年――「愛因斯坦年」。
其實，當愛因斯坦在1905年發表他的狹義相對論時，他同時代的科學家們最為驚奇的可能不是該理論的革命性結論，而是驚訝於這一事實，即，這一現代物理學中令人驚異的工作出自於一個正在進入物理化學（Physical Chemistry）領域頗有前途的職業生涯的年輕人。
愛因斯坦的物理化學博士論文
愛因斯坦在1905年7月提交給瑞士蘇黎世大學的博士論文中，提出了一種新的方法計算阿伏加德羅常數和分子的大小。同一個月，他發表了一篇論文表明在顯微鏡下觀測到的液體中的微小顆粒的雜亂和毫無規則的運動――即所謂的布朗運動，是由溶劑分子的碰撞所導致的。
在那一奇蹟年中所發表的文章中，愛因斯坦自己認為真正具有革命性的只有一篇。這篇文章中他試圖通過引入量子，即不連續的能包，的概念來解釋金屬如何與光相互作用。總而言之，這是任何一個物理化學家都會為之感到驕傲的一年的工作。
現在，從愛因斯坦的相對論出發，人們得到了重要的和令人難以置信的諸如黑洞和通過時空空洞進行時間旅行一類的概念，而從量子理論也得出了無限分岔的平行宇宙和泡沫狀時空的概念，人們已經很難再了解到這些理論的由來在表面上看來是多麼的平凡。
相對論的提出是為了解決將詹姆斯 克拉克 麥克斯韋的電磁理論運用到運動物體問題上的困難，愛因斯坦在1905年的這篇文章的開頭提到的不過是磁體和線圈。
但是，（即使是有點言不由衷地）提議愛因斯坦是個化學家的主要理由比以上這些具有更為深刻的緣由。愛因斯坦做出他的原創性貢獻的時代，物理和化學的還沒有嚴格的界限劃分。這些分界在當時只是在物理學家和化學家努力地為他們自己對放射性和核科學這些新的研究領域提出要求時才被爭相提及。
當時，科學家們還在對約翰 道爾頓提出的原子和分子是否存在，或者僅僅是一種用於教學和說明的方便所發明的概念進行激烈的爭論，而象元素周期表這個化學家們使用的中心原理還在等待後來出現的量子理論的解釋。
交叉學科研究
但是愛因斯坦本人並不關心這些學科之間的界限。這正如比他早100年的法拉第，以及詹姆斯 克拉克 麥克斯韋一樣。而愛因斯坦正是將這二人在時間上和知性上聯繫起來的人。
愛因斯坦在後來對基本力的統一理論的追求只不過是他早期通過牛頓的物質的動力學理論模型對液體和分子間力的工作的簡單延續。
牛頓推測認為在原子之間的微觀尺度上作用的力和在恆星與行星之間在宇觀尺度上相互作用的力一樣具有相同的本質。愛因斯坦在1901和1902年發表的兩篇早期論文中，正是繼承了牛頓的這一思想，探尋引力和分子間力的共同起源。1901年在愛因斯坦21歲時，他寫道：「能夠認識到在我們的直接感官上完全不同的事物的複雜現象之間的內在統一性，真是一種極爽的感覺。」
因此，我們應該毫不奇怪地發現，當愛因斯坦在很早年就對麥克斯韋的電磁理論著迷的時候，他的第一個學術成就也是延續了麥克斯韋對物質科學的另一重大貢獻，即氣體的運動理論。
1879年，荷蘭的約翰 迪德裡克範 德 瓦爾斯將麥克斯韋的這一理論擴展用於處理液體，而愛因斯坦在1901年發表在Annalen der Physik的論文追尋了這一激發了範 德 瓦爾斯興趣的同一主題，即在毛細現象中分子間作用力的作用。
愛因斯坦希望將這一工作擴展成為遞交給蘇黎世大學的博士論文，但這毫無結果，因此他在1901年4月接受了伯爾尼瑞士專利局的工作。非常具有說明性的事情是，愛因斯坦的父親當時出於對兒子前程的擔憂，選擇向著名的物理化學家威廉 奧斯特瓦爾德求助。
這正是引向1905年愛因斯坦關於分子大小的博士論文的知識線索。在此之前已有好幾種確定分子尺寸的方法，其中最為可靠的方法即是基於氣體運動理論。
例如，1865年吉普賽化學家約瑟夫·洛克斯密特提出一種比較不通液體和氣體的密度的方法，得出結論認為「空氣分子」的直徑約為1納米。洛克斯密特據此可以計算出阿伏加德羅常數，即1摩爾物質的分子數目。這一常數在德語系國家因而被一直稱為洛克斯密特常數。
不同的是，愛因斯坦發明了一種僅僅依靠液體性質的準確計算分子大小的方法。範 德 瓦爾斯已經確定分子尺寸大小對於了解液體性質非常重要：正是因為考慮了分子的大小他才將氣體運動理論用於處理液態物質。
微粒的運動
愛因斯坦的博士論文研究了微粒的運動。這與他對分子擴散研究的興趣密切相關。德國化學家瓦爾特 能斯特開創了分子擴散的研究，他也在同一年發表了關於布朗運動的論文。 斯託克斯定律將流體中粒子的運動速度與流體的粘度聯繫起來。基於斯託克斯定律，愛因斯坦推導出了溶質分子在溶劑中的擴散係數方程。愛因斯坦的方程中同時包含了阿伏加德羅常數和溶質粒子的半徑，他通過流體力學理論計算出溶質溶解於流體中其粘度的變化，從而求解該方程。
使用糖的水溶液的實驗數據，愛因斯坦計算出糖分子的半徑為1納米，並且得出阿伏加德羅常數為每摩爾2.1x1023個分子。直到1909年法國物理學家吉恩 佩蘭更為準確地測量了阿伏加德羅常數，表明愛因斯坦的數值太小，才迫使愛因斯坦從新檢查了他的計算。
愛因斯坦檢查不出任何錯誤，就讓他的學生路德維希 霍普夫仔細檢查。這使得霍普夫成為極少數有幸能夠在愛因斯坦的數學中發現錯誤的人之一。霍普夫將一個錯誤的方程修正後，愛因斯坦的方法得到6.56x1023，這不僅與佩蘭的數字相符，而且也與今天的6.02x1023非常接近。
證明原子的存在
愛因斯坦對於測量分子尺寸的興趣具有更深入的科學目標。他意識到一些顯赫的科學家，包括威廉 奧斯特瓦爾德和恩斯特 馬赫，都懷疑原子和分子的真實存在。今天我們很容易輕易認為這些反原子論者毫無道理，但是在19和20世紀之交，沒有任何一件直接的證據證明的物質的原子理論的正確性。大多數物理學家和化學家認為原子理論利索當然地正確。但是馬赫指出，只有糟糕的科學才假定無法感知的實體存在。
愛因斯坦確信原子的存在，但他希望得到某種形式的證實。他說，我們需要證據，它「能夠保證一定大小的原子的存在」。
他認識到這種證據可能從布朗運動現象中得到；或者，從懸浮在液體中的微觀粒子的隨機運動中得到。該隨機運動被暗示與1828年植物學家羅伯特 布朗觀測到的粒子運動有關。
當布朗觀測到花粉顆粒在水中不規律地跳來跳去，他一開始認為這是有機體中存在的「生命活力」的顯現，當時許多人都認為有機體中存在某種活力。但他很快發現「死」花粉微粒也具有同樣行為，於是他的觀測在19世紀引發了五花八門的理論，甚至涉及到對流和電學的理論。但是這些理論都不盡人意。
隨機分子運動
愛因斯坦解決此問題的方法藉助於通過氣體運動理論所建立起來的熱是隨機分子運動的結果這一概念。人們在此之前假設，雖然分子的隨機運動具有很高的速率，但是由於懸浮的灰塵或花粉粒子比單個分子質量大很多，因此分子對這些大的粒子的碰撞影響可以忽略不計，就象隕星撞擊地球一樣。
但是愛因斯坦表明從不同方向撞擊微米大小的粒子的分子數目在統計上的不平衡性的確可以使的該粒子運動，並且由於分子熱運動所導致的雜亂運動的確可以顯著到在顯微鏡下可觀測的程度。
這一運動的隨機性使得粒子在液體中做擴散運動：如果在一段時間內跟隨其運動，它將到達與開始時不同的地方。愛因斯坦可以計算這一平均位移隨時間變化的函數，進而預測出一個1毫米大小的微粒在水中可以在1分鐘運動約6毫米。
這一定量的預測極為關鍵：它提供了驗證愛因斯坦理論正確與否的方法。如果該理論被定量地證實，那麼人們就很難再否認物質的分子圖像的正確性。這一圖像是整個運動理論的基礎。換句話說，分子必然是真實存在的。愛因斯坦在結束1905年的文章時希望「（實驗）研究者將很快成功地解決這裡所提出的問題。」
很多人進行了實驗嘗試，但是這一實驗非常困難，主要是由於很難在實驗中確保液體具有恆定和均勻的溫度。直到1908年還沒有人能夠得到愛因斯坦理論成立的定量證據，而他自己也開始絕望，認為已經不可能準確地研究布朗運動。讓他高興的是，佩蘭接受了這一挑戰，並在這一年確認理論預測的正確性。因為這一工作，佩蘭被授予1926年的諾貝爾物理學獎。
眾所周知，愛因斯坦一生都對量子理論的某些基本特性，特別是量子理論中似乎將機會和不確定性賦予了物質的行為的方式，感到不安。
在某種程度上他有點類似普朗克，一方面在將物質的量子描述當作一個方便的工具以了解物質的某些具體特性，比如光電效應和固體的熱容，而另一方面同時又猜測下面可能存在著更為基本的確定性的理論。
量子化學的核心問題
光與能量的量子本質對於化學具有中心價值。它能說明物質與光如何相互作用，比如，為什麼草是綠的和為什麼天空是藍色的。它也為所有的光譜方法提供了基礎，也使我們能夠破譯分子的結構。
尼爾斯 玻爾，阿諾德 索末菲和沃爾夫岡 泡利表明原子的量子模型如何解釋周期表的結構和元素的性質；而佛裡茨 倫敦，林納斯 鮑林和其他一些人發展了原子間化學鍵的量子圖像，以解釋分子的形狀和性質。
今天，無法想像化學能夠離開量子理論。量子理論已經被用來解釋和預測包括金屬的催化行為，以及有機合成的立體行為的所有內容。愛因斯坦的工作的這一側面對於化學的影響超出了其它所有的科學領域。
吹毛求疵的人也許會說就算愛因斯坦是以化學的旗號開創了的自己的工作，我們今天幾乎並不因此而銘記他。化學家的量子理論也許是被他的光電效應的工作所引發，但是難道量子理論不也應該更多地歸功於他之後的玻爾、薛丁格和海生堡的苦心發展，而不僅僅是愛因斯坦的光量子化嗎？而且，他最了不起的相對論，不是成了天體物理學家，而不是化學家的語言嗎？不過，這事兒並不那麼肯定。
相對論在化學中也非常重要。狹義相對論說明，當物體以接近光速運動時，其質量會增加（同時，一個相對靜止的觀測者角度來看，它也會變得更短和活得更長。）在重原子中，內層軌道上的電子和和高度帶電的原子核自薦的靜電相互吸引使得電子的速度變得很快，從而出現相對論效應：鈾原子最內層的電子平均速度大約高達光速的三分之二。
軌道電子
這些相對論性電子的質量變得更重，從而使它們的軌道更靠近原子核。這進一步增加了內層電子屏蔽原子核對外層電子的拉力，因此外層電子的軌道會膨脹，能量會降低。這樣，相對論效應重新調節了原子的電子能級。
這一現象並不象你想像的那樣奇異和罕見。如果不是由於相對論效應，金子就會看起來象銀子一樣；金子的微紅色是因為它能吸收藍光，這是由於金原子的電子能帶產生了相對論性的位移。
較之於任何程度的宇宙引力透鏡或原子鐘變慢現象，這無可爭辯地是對愛因斯坦理論更為意義深遠的展示。數千年來，金子就具有崇高的文化地位和文化象徵性，因為從遠古以來，這種金屬就被與太陽聯繫在一起。
同樣地，相對論效應使得水銀具有低的熔點，這不僅使之具有巨大的技術上的重要性，而且還賦予這種金屬在文化上具有與水和月亮的某種神秘聯繫。
近年來，由於通過粒子束碰撞合成新的超重元素，原子中的相對論性效應更顯重要。新元素的合成者們開始研究極端的相對論性效應對這些原子的電子結構的改變是否已經開始破壞元素周期表中有順序的性質變化。就是在現代化學的這一前沿，也不可能忽略愛因斯坦的遺產。
黑體輻射和量子
黑體輻射是來自能夠吸收所有光的熱的物體的電磁輻射。黑體輻射具有相當寬的波長，但最大強度的波長取決於黑體的溫度：溫度約稿，波長越短。普魯士物理學家威廉 維恩在1893年揭示出了這一現象。
所以，燈泡中的金屬絲或者一個電熱器在被逐步加熱的過程中先是發出暗紅色，然後是黃色，最後是白色或帶藍色。在它發出可見光之前，你就可以感覺到紅外輻射產生的熱量。在19和20世紀之交，這一常見現象卻沒有任何人能予以解釋。
在試圖進行解釋的人當中，有愛因斯坦1901到1902年間在蘇黎世大學的博士導師海因裡希 弗裡德裡克 韋伯。
另一個人是馬克斯 普朗克。他開始通過麥克斯韋和路德維繫希 玻爾茲曼在氣體動力學理論中發展出來的統計力學方法來推導維恩關於溫度和波長的關係。
普朗克計算了用一系列帶電振子來代表黑體中的原子，並計算所輻射出的電磁能量。他最初的計算似乎符合維恩定律；但隨後實驗學家發現維恩定律在高溫時已不再成立。
普朗克發現他的理論預測能夠符合實驗觀測，只要他將他的理論進行修正。這一修正需要假設每個振子具有不連續的與振子頻率成正比的能量E：他提出E=h?的關係，h現在被稱為普朗克常數。
對普朗克來講，這一假設不過是使得他的理論符合實驗結果的一個數學遊戲。但當愛因斯坦在1904年開始研究普朗克的黑體輻射工作時，他將此解釋得更為實在：他說，光具有由普朗克公式所給出的一塊一塊的能量。他將這些能塊稱作量子：他聲稱，光是量子化的。
愛因斯坦知道這一建議是具有爭議性的，甚至是令人不能容忍的。但是他爭辯說他的假說可以解釋由菲力普 倫納德在1902年觀測到的光電效應。倫納德發現光照到金屬上會發出電子。如果光是量子化的，那麼它會在單個量子能量超過從金屬移出電子所需要的能量時從金屬敲出電子，而這與光的強度無關。
這公然地挑戰了直覺：人們會自然地期望更強的光會給金屬注入更多的能量，從而無論什麼波長都會使金屬噴射出電子。按照愛因斯坦的假設，噴出的電子能量將不依賴於光的強度，而依賴於光的波長，波長決定了量子包的大小。這正是倫納德的實驗所發現的。
由於對光電效應的解釋，愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。
超重元素中的相對論性效應
從第104號元素Rf（rutherfordium）開始，比錒系元素更高的新元素最早在1960年代被人工合成出來。這些元素都不穩定，最長的衰變半衰期最長只有幾秒（Rf251半衰期為78秒）。不過快速分析技術可以容許人們研究這些人造元素的化學性質。
理論預測這些元素的最外層電子亞層由6d電子軌道組成。這意味著這些超錒系元素應該具有與元素周期表中上一排過渡族金屬元素類似的化學性質：Rf應該象鉿，105號元素（dubnium）象鉭，依次類推。
但是，強相對論性效應可能削弱這些周期性性質。對dubnium似乎正是這樣：其氟化複合物更類似於鈮而不是鉭的氟化物，而它的其它化學性質又更接近於鏷。這就是說，它根本不象第5族元素，而其行為更象是錒系元素的延伸。
也有一些跡象表明Rf元素也受到相對論性效應的影響：四氯化Rf的揮發性比對應的鉿化合物高，周期表的趨勢預測與此恰恰相反。
奇怪的是，seaborgium（第106號元素）似乎不受相對論性效應的影響，其行為恰如第6族金屬鉬和鎢。同樣地，hassium（第108號元素）和鋨一樣形成揮發性的四氧化物。
這些研究將分析技術推到其極限，這包括只對少數幾個短暫壽命的原子進行測量。
註：Philip Ball是《自然》雜誌的顧問編輯(4-6 Crinan Street，London, N1 9XW)。他最近出版的書為：Elegant Solution: ten beautiful experiments in chemistry， 由英國皇家化學會出版。
來源：王鴻飛科學網博客
作者王鴻飛，系Pacific Northwest National Laboratory 研究員