爱因斯坦与现代物理学

文/施 郁

施 郁
复旦大学物理学系教授、博士生导师,曾在英国剑桥大学工作多年。从事理论物理和物理学史的研究。微信公众号:物理文化与施郁世界线。

20世纪的物理学有两大支柱——相对论和量子力学。相对论包括狭义相对论和广义相对论,狭义相对论适合于运动速度相对于光速不是特别小的情况,广义相对论适合于时空弯曲不可忽略的情况。量子力学则适合于能量和时间尺度的乘积相对于普朗克常数不可忽略的情况。
爱因斯坦以一人之力在1905年创立了狭义相对论,1915年又将它推广到广义相对论。

对量子力学的贡献
很多人对量子力学的创立做出了贡献,爱因斯坦是其中之一,而且是重要的“之一”。
爱因斯坦对量子力学的贡献主要表现在以下几方面。首先,继普朗克引入作用量子的概念之后,爱因斯坦于1905年提出电磁辐射由一份一份的光量子组成。在同一篇论文中,作为光量子假说的一个应用,爱因斯坦解释了光电效应。光电效应作为一个实验现象,首先是被赫兹及其合作者发现,然后被勒纳德发现。爱因斯坦还预言了定量关系。这个关于光电效应的讨论,是他在1922年获得1921年诺贝尔物理学奖(当年未颁奖)的基础,在颁奖词中被称作“光电效应定律”。从1924年开始,光量子被人们称作光子。光量子假说成为量子论进一步发展的基石,量子论最终发展为量子力学,揭示了物质和电磁辐射的本质。
其次,1916年爱因斯坦又提出电磁辐射的量子理论。很多年后,人们在此理论基础上发展了激光。
再者,1924年,爱因斯坦还提出玻色-爱因斯坦凝聚。很多年后,人们将这个概念用于超流和超导现象的解释。1995年,原子的玻色-爱因斯坦凝聚在实验室被制备出来。
最后,1935年,爱因斯坦与合作者在质疑量子力学的完备性时,发现后来被薛定谔称作“量子纠缠”的特殊性质。

爱因斯坦的奇迹年
1905年被称为爱因斯坦的奇迹年。一年之内,他完成5篇改变世界的论文。
第一篇论文《关于光的产生和变换的启发性观点》,就是上面所说的关于光量子假说的论文。他本人认为这篇文章最具革命性。
接着,爱因斯坦完成第二篇文章《分子大小的新决定》,也是爱因斯坦的博士论文。1905年递交到苏黎世大学,次年发表在期刊上。
第三篇文章《用热的分子运动论研究悬浮在静止液体中的微小粒子的运动》,用热的分子运动论研究悬浮在静止液体中的微小粒子的运动,是关于布朗运动的理论。
第二篇和第三篇文章在牛顿力学框架内,从物质由原子、分子组成这样的基本假设,推导出悬浮在液体中的分子的扩散与液体黏滞之间的关系,解释了布朗运动,从而有力地支持了原子、分子的真实性。
接着,爱因斯坦完成第四篇论文《论运动物体的电动力学》,从光速不变原理和物理定律的相对性原理两个基本假设出发,创立了狭义相对论。
爱因斯坦又完成第五篇论文《物体的惯性依赖于能量吗》,在狭义相对论基础上,提出质量能量等效关系。

对量子力学的态度
爱因斯坦的光量子假说属于老量子论。新的量子力学是1925—1927年建立的。很多人对此做出重要贡献,包括海森堡、玻恩、约当、薛定谔、狄拉克等。
爱因斯坦曾经怀疑量子力学有错误,特别是其中的不确定关系。后来他的态度变为,承认量子力学在技术细节上的正确,但是认为量子力学作为客观世界的描述是不完备的。对此,他的名言是:“上帝没有掷骰子。”他的论证基于量子纠缠态。通过对量子力学的质疑,爱因斯坦和他的助手发现了量子纠缠(名词来自薛定谔)的特殊性质。

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