爱因斯坦的科学贡献

1、爱因斯坦对科学的贡献量子论1905 年 3 月写的论文关于光的产生和 转化的一个推测性的观点 ，把普朗克 1900 年 提出的量 子概念扩充到光在空间中的传播， 提出光量子假说， 认 为： 对于时间平均值 （即 统计的平均现象） ，光表现为 波动；而对于瞬时值（即涨落现象） ，光则表现为粒子。 这 是历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的 统一，即波粒二象性。以后的物理学 发展表明：波粒二 象性是整个微观世界的最基本的特征。这篇论文还把 L. 玻耳兹曼提出 的“一个体系的熵是它的状态的几率的函 数”命名为 “玻耳兹曼原理 ”。在论文的结尾，他用 光 量子概念轻而易举地解释了光电现象，推导

2、出光电子的 最大能量同入射光的频率之间 的关系。这一关系 10 年后 才由 R.A. 密立根予以实验证实。 “由于他的光电效应定 律的发 现”，爱因斯坦获得了 1921 年的诺贝尔物理学奖。分子运动论1905 年 4 月、 5 月和 12 月他写了 3 篇关 于液体中悬浮粒子运动的理论。这种运动系英 国植物学 家R.布朗于1827年首先发现，称为布朗运动。爱因斯坦 当时的目的是要通过观 测由分子运动的涨落现象所产生 的悬浮粒子的无规运动， 来测定分子的实际大小， 以解 决 半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存 在的问题。 3 年后,法国物理学家 J.B. 佩兰以精密的实验 证实了爱因

3、斯坦的理论预测。这使当时最坚决反对原子论的德国化学家、唯能论”的创始者F.W.奥斯特瓦尔 德于1908年主动宣布： 原子假说已成为一种基础 巩固 的科学理论。创新纪元的狭义相对论1905 年 6 月爱因斯坦写了 一篇开创物理学新纪元的长论文论动体的电动力学 ， 完 整地提出狭义相对性理论。这是他 1 0年酝酿和探索的 结果，它在很大程度上解决了 19世 纪末出现的古典物理 学的危机，推动了整个物理学理论的革命。为了克服新实验事实同旧理论体系之间的矛盾，以洛伦兹为代表的 老一辈物理学家采取修补漏洞的办法，提出名 目众多的 假设，结果使旧理论体系更是捉襟见肘。爱因斯坦则认为出路在于对整个理论基础进

4、行根本性的变革。 他从自 然界的统一性的信念出发， 考察了这样的问题： 牛顿力 学 领域中普遍成立的相对性原理（力学定律对于任何惯性系是不变的） ，为什么在电动力学中却不成立？而根 据 M. 法拉第的电磁感应实验，这种不统一性显然不是现 象所固有的， 问题一定在于古典物理理论基础。他吸取了经验论哲学家D.休谟对先验论的批判和 E.马赫 对 I. 牛 顿的绝对空间与绝对时间概念的批判，从考察两个在空间上分隔开的事件的 “同时性”问题入手，否定了没有 经验根据的绝对同时性，进而否定了绝对时间、绝对空间，以及“以太 ”的存在，认为传统的空间和时间概念 必须加以修改。他把伽利略发现的力学运动 的相对性

5、这 一具有普遍意义的基本实验事实，提升为一切物理理论都必须遵循的基本原理；同时又把所有 “以太漂移 ”实 验所显示的光在真空中总是以一确定速度 传播这一基 本事实为提升为原理。要使相对性原理和光速不变原理同时成立，不同惯性系的坐标之间的变换就不可能再是 伽利略变换，而应该是另一种类似于洛伦兹于 1904 年发 现的那种变 换。事实上，爱因斯坦当时并不知道洛伦兹 1904 年的工作，而且两人最初所提出的变换形 式只有在 /的一次幕上才是一致的；现在所说的洛伦兹变换，实质上是指爱因斯坦的形式。对于洛伦兹变换， 空间和时 间长度不再是不变的， 但包括麦克斯韦方程组在内的一 切 物理定律却是不变（即协

6、变）的。原来对伽利略变换 是协变的牛顿力学定律，必须加以改 造才能满足洛伦兹 变换下的协变性。这种改造实际上是一种推广，是把古典力学作为相 对论力学在低速运动时的一种极限情况。 这样，力学和电磁学也就在运动学的基础上统一 起来。质能相当性1905 年 9月，爱因斯坦写了一篇短文 物体的惯性同它所含的能量有关吗？ ，作为相 对论 的一个推论，揭示了质量（和能量（的相当性：口=并由此解释了放射性元素（如镭）所以能释放出大量能量的原因。质能相当性是原子核物理学和粒子物理学的理论基础，也为 40 年代实现的核能的释放和利用开辟了 道路。 量子论的进一步发展 爱因 斯坦的光量子论的提出，遭到几乎所有老一

7、辈物理学家的反对，甚至连最初提出量子概念并第一个热情支持狭义相对论的普朗克， 直至 1913 年还郑重其事地认为这是爱因斯坦的 一个“失误”。尽管如此，爱因斯坦还是孤军奋战，坚持不懈地发展量子理论。 1906 年他把量子概念扩展到物体内部的振动上， 基本上说明了低温条件下固体的比热容同温度间的 关系。 1912年他把光量子概念用于光化学现象，建立了光化学 定律。 1916 年他发表了一 篇综合了量子论发展成就的论 文关于辐射的量子理论，提出关于辐射的吸收和发 射过 程的统计理论，从 N.玻尔1913年的量子跃迁概念，推 导出普朗克的辐射公式。 论文中提出的 受激发射概念， 为 60 年代蓬勃发

8、展起来的激光技术提供了理论基础。在光量子论所揭示的波粒二象性概念的启发下，于1923年L.V.德布罗意提出物质波理论。这一理论首先得 到爱因斯坦的热情支持。不仅如此，当1924年他收到印 度青年物理学家 S.玻色关于光量子统计理论的论文时， 立即把它译成德文推荐发表，并且把这理论同物质波概念结合起来，提出单原子气体的量子统计理论。这就是 关于整数自旋粒子所服从的玻色爱因斯 坦统计（见量 子统计法）。受爱因斯坦这项工作的启迪，E.薛定谔把 德布罗意波推广到束缚粒子，于佃26年建立了波动力学（见表象理论、量子力学）。因此美国物理学家 A.派斯认为，爱因斯坦不仅是量子论的三元老（指普朗克、爱因斯坦和

9、N.坡尔）之一,而且是波动力学 唯一的教父。” M.玻恩也认为，在征服量子现象这片荒原的斗争中，他 是先驱”，也是 我们的领袖和旗手”。广义相对论的探索 等效原理狭义相对论建立后， 爱因斯坦并不感到满足，力图把相对性原理的适用范围推广到非惯性系。他从伽利略发现的引力场中一切物体 都具有同一加速度（即惯性质量同引力质量 相等）这一 古老实验事实找到了突破口，于 1907 年提出了等效原理： “引力场同参照系 的相当的加强度在物理上完全等价。”并且由此推论：在引力场中，钟要走得快，光波波长要变化，光线要弯曲。在这一年，他大学时的老师、著名几何学家H.闵可夫斯基提出狭义相对论的四维空间表示 形式，为

10、相对论进一步发展提供了有用的数学工具，可惜爱因斯坦当时并没有认识到它的价值而加以利用。继续探索的曲折历程等效原理的发现，爱因斯坦 认为是他一生最愉快的思索， 但以后的工作却十分艰苦， 并 且走了很大的弯路。 1911 年，他根据等效原理和惠更斯 原理，推算出光线经过太阳附近的 偏转值为口 1912年初，他分析了刚性转动圆盘，意识到在引力场中欧几里得几何并不严格有效。同时他还发现：洛伦兹变换不 是普适的，需要寻求更普遍的变换关系；为了保证 能量 -动量守恒 ，引力场方程必须是非线性的；等效原理只对无限小区域有效。他意识到大学时学过的高斯曲面理论 对建立引力场方程该会有用，但由于不熟悉这套数学工具

11、，一时无从下手。1912 年 10月他离开布拉格回到苏黎世母校工作。在 他的同班同学、当时在母校任数学教授的 M.格罗斯曼的帮助下，他学习了黎曼几何和 G.里奇与T.勒维-契维塔的 绝对微分学 （即张量分析 ） 。经过一年奋力合作，他们于1913 年发表了重要论文广义 相对论纲要和引力理论 ， 提出了引力的度规场理论。在这里，用来描述引力场的 不是标 量，而是度规张量，即要用 10 个引力势函数来确 定引力场。这是首次把引力和度规结合 起来，使黎曼几 何获得实在的物理意义。可是他们当时得到的引力场方 程只对线性变换 是协变的，还不具有广义相对性原理所 要求的任意坐标变换下的协变性。这是由于爱因

12、斯 坦当 时不熟悉张量运算，错误地认为，只要坚持守恒定律， 就必须限制坐标系的选择， 为了维护因果性原理，不得 不放弃普遍协变的要求。科学成就的第二个高峰在 1915 年到 1917 年的 3 年 中是爱因斯坦科学成就的第二个高峰时期， 类似于 1905 年， 他也在三个不同领域中分别取得了历史性成就。除 了 1915 年最后建成了被公认为人类思 想史中最伟大的成 就之一的广义相对论以外， 1916 年在辐射量子论方面又 作出了如前所 述的重大突破， 1917 年又开创了现代科学 的宇宙学。 广义相对论的建成 放弃普遍 协变要求的失误， 使 爱因斯坦继续走了两年多的弯路 ,直到 1915 年

13、7 月以后对 此失误才逐 渐有所认识。回到普遍协变的要求后，1915 年 10 月到 11 月他集中精力探索新的引力场方程，于 11月 4日、 11日、 18日和 25日一连向普鲁士科学院提交了 4篇 论文。在第一篇 论文中他得到了满足守恒定律的普遍协 变的引力场方程（见广义相对论） ，但加了一个不 必要 的限制 ,那就是只允许幺模变换。第三篇论文中,根据新 的引力场方程，推算出光线经太阳表面所发生的偏折应当是口，比以前的值大一倍；同时还推算出水星近日点每100年的剩余进动值是43口同观测结果完全一致，完 满地解决了 60多年来天文学一大难题，这给爱因斯坦以 极大的鼓舞。 1915年 11月

14、25日的论文引力的场方程 中，他放弃了对 变换群的不必要限制，建立了真正普遍 协变的引力场方程，宣告 “广义相对论作为一种逻 辑结 构终于完成了 ”与此同时，德国数学家D.希耳伯特于1915年11月20日在格丁根也 独立地得到了普遍协变的引 力场方程。 1916年春天， 爱因斯坦写了一篇总结性的论 文广 义相对论的基础 ；同年底，又写了一本普及性 小册子狭义与广义相对论浅说 。引力波爱因斯坦于 1916年 3月完成广义相对论的 总结以后， 6月研究引力场方程的近似积分 , 发现一个力 学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波。他指出，原子中没有辐射的稳定轨道的存在，无论从电磁观点还 是从引力观

15、点来看 ,都是神秘的 ,因此， “量子论不仅要 改造麦克斯韦电动力学，而且也要改造新的引力理论 ”。 秋天，当他回到量子辐射问题时， 他就本着这一意图提 出自发跃迁和受激跃迁概念，并给出普朗克辐射公式的新推导。引力波的存在曾引起一些科学家的异议，爱因 斯坦后来多次对它的存在和性质进行探讨。由 于引力波 强度太弱，难以检测，长期未引起人们注意。 60 年代开 始，检测引力波的实验 逐渐形成热潮， 但都没有达到检 测所要求的最低精度。 通过对 1974年发现的射电脉冲双 星 PSR1913+16 的周期变化进行了 4年的连续观测 ,1979年 宣布间接证实了引力波的存在。宇宙学的开创1917 年爱

16、因斯坦用广义相对论的结 果来研究整个宇宙的时空结构，发表了开创性论文 根 据广义相对论对宇宙学所作的考查 。论文分析了 “宇 宙在空间上是无限的 ”这一传统 观念，指出它同牛顿引 力理论和广义相对论引力论都是不协调的；事实上人们无法为引力场方程在空间无限远处给出合理的边界条件。他认为，可能的出路是把宇宙看作是一个“具有有限空 间（三维的）体积的自身闭合的连续区 ”。以科学论据 推论宇宙在空间上是 有限无界的，这在人类历史上是一 个大胆的创举，使宇宙学摆脱了纯粹猜测性的思辨，进入现代科学领域， 是宇宙观的一次革命。 根据当时天文 观测到的星的速度都很小这一事实， 爱因斯坦认为物质 的分布是准静态

17、的 ,为了保证这一条件 ,他在引力场中引 进了一个未知 的普适常数（宇宙学项） 。在这期间，同 爱因斯坦频繁通信的荷兰天文学家W. 德西特提出平均物 质密度为零的另一种宇宙模型。 1922 年苏联物理学家 A. A. 弗里德曼指出宇宙学项 是没有必要的，由此，从爱因 斯坦原来的结果就直接得出物质密度不为零的膨胀宇宙 模 型。当时爱因斯坦并不赞同，但一年后公开撤回自己 错误的批评意见，承认弗里德曼的理 论是正确的。 由于 1929 年河外星系光谱线红移的发现， 宇宙膨胀理论得到 了有力的支持， 1946 年以后它又发展成为大爆炸宇宙学，是迄今最成功的宇宙学理论。对统一场论的漫长艰难的探索广义相对

18、论建成后， 爱因斯坦依然感到不满足，要把广义相对论再加以推广， 使它不 仅包括引力场，也包括电磁场，就是说要寻求一 种统一场的理论。他认为这是相对论发展 的第三个阶段， 它不仅要把引力场和电磁场统一起来，而且要把相对论 和量子论统一起 来，为量子物理学提供合理的理论基础。 他希望在试图建立的统一场论中能够得到没有奇 点的解， 可用来表示粒子，也就是企图用场的概念来解释物质结 构和量子现象。最初的 统一场论是数学家 H. 韦耳于 1918 年把通常的四维黎曼几何加以推广而得到的。 对此，爱 因 斯坦表示赞赏，但指出，这一理论所给出的线素不是 不变量，而同它过去的历史有关，这 同一切氢原子都有 同样光谱的事实相抵触。接着，数学家T.F.E. 卡鲁查于 1919 年试图用五维流形来达到统一场论， 得到了爱因斯 坦的高度赞扬。 1922 年爱因斯坦完成的第一篇统 一场论 的论文就是关于卡鲁查理论的。 1925 年以后，爱因斯坦 全力以赴地去探索统一场 论。开头几年他非常乐观，以 为胜利在望；以后发现困