哪年是愛(ài)因斯坦的奇跡年？

【專家解說(shuō)】：愛(ài)因斯坦早年智力不是很好的 從12歲開(kāi)始，看數(shù)學(xué) 到別人家里借書(shū) 到16歲時(shí)已經(jīng)看完微積分 開(kāi)始學(xué)高等數(shù)學(xué) 下來(lái)就碌碌續(xù)續(xù)的開(kāi)始發(fā)表他的理論 知道走時(shí)，還在研究 在研究量子 下來(lái)是查的 1905年的奇跡 1905年，愛(ài)因斯坦在科學(xué)史上創(chuàng)造了一個(gè)史無(wú)前例奇跡。這一年他寫(xiě)了六篇論文，在三月到九月這半年中，利用在專利局每天八小時(shí)工作以外的業(yè)余時(shí)間，在三個(gè)領(lǐng)域做出了四個(gè)有劃時(shí)代意義的貢獻(xiàn)，他發(fā)表了關(guān)于光量子說(shuō)、分子大小測(cè)定法、布朗運(yùn)動(dòng)理論和狹義相對(duì)論這四篇重要論文。 1905年3月，愛(ài)因斯坦將自己認(rèn)為正確無(wú)誤的論文送給了德國(guó)《物理年報(bào)》編輯部。他靦腆的對(duì)編輯說(shuō)：“如果您能在你們的年報(bào)中找到篇幅為我刊出這篇論文，我將感到很愉快。”這篇“被不好意思”送出的論文名叫《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)推測(cè)性觀點(diǎn)》。 這篇論文把普朗克1900年提出的量子概念推廣到光在空間中的傳播情況，提出光量子假說(shuō)。認(rèn)為：對(duì)于時(shí)間平均值，光表現(xiàn)為波動(dòng)；而對(duì)于瞬時(shí)值，光則表現(xiàn)為粒子性。這是歷史上第一次揭示了微觀客體的波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一，即波粒二象性。 在這文章的結(jié)尾，他用光量子概念輕而易舉的解釋了經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的光電效應(yīng)，推導(dǎo)出光電子的最大能量同入射光的頻率之間的關(guān)系。這一關(guān)系10年后才由密立根給予實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1921年，愛(ài)因斯坦因?yàn)椤肮怆娦?yīng)定律的發(fā)現(xiàn)”這一成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 這才僅僅是開(kāi)始，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在光、熱、電物理學(xué)的三個(gè)領(lǐng)域中齊頭并進(jìn)，一發(fā)不可收拾。1905年4月，愛(ài)因斯坦完成了《分子大小的新測(cè)定法》，5月完成了《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)》。這是兩篇關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的研究的論文。愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)的目的是要通過(guò)觀測(cè)由分子運(yùn)動(dòng)的漲落現(xiàn)象所產(chǎn)生的懸浮粒子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，來(lái)測(cè)定分子的實(shí)際大小，以解決半個(gè)多世紀(jì)來(lái)科學(xué)界和哲學(xué)界爭(zhēng)論不休的原子是否存在的問(wèn)題。 三年后，法國(guó)物理學(xué)家佩蘭以精密的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦的理論預(yù)測(cè)。從而無(wú)可非議的證明了原子和分子的客觀存在，這使最堅(jiān)決反對(duì)原子論的德國(guó)化學(xué)家、唯能論的創(chuàng)始人奧斯特瓦爾德于1908年主動(dòng)宣布：“原子假說(shuō)已經(jīng)成為一種基礎(chǔ)鞏固的科學(xué)理論”。 1905年6月，愛(ài)因斯坦完成了開(kāi)創(chuàng)物理學(xué)新紀(jì)元的長(zhǎng)論文《論運(yùn)體的電動(dòng)力學(xué)》，完整的提出了狹義相對(duì)論。這是愛(ài)因斯坦10年醞釀和探索的結(jié)果，它在很大程度上解決了19世紀(jì)末出現(xiàn)的古典物理學(xué)的危機(jī)，改變了牛頓力學(xué)的時(shí)空觀念，揭露了物質(zhì)和能量的相當(dāng)性，創(chuàng)立了一個(gè)全新的物理學(xué)世界，是近代物理學(xué)領(lǐng)域最偉大的革命。 狹義相對(duì)論不但可以解釋經(jīng)典物理學(xué)所能解釋的全部現(xiàn)象，還可以解釋一些經(jīng)典物理學(xué)所不能解釋的物理現(xiàn)象，并且預(yù)言了不少新的效應(yīng)。狹義相對(duì)論最重要的結(jié)論是質(zhì)量守恒原理失去了獨(dú)立性，他和能量守恒定律融合在一起，質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。其他還有比較常講到的鐘慢尺縮、光速不變、光子的靜止質(zhì)量是零等等。而古典力學(xué)就成為了相對(duì)論力學(xué)在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的一種極限情況。這樣，力學(xué)和電磁學(xué)也就在運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來(lái)。 1905年9月，愛(ài)因斯坦寫(xiě)了一篇短文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》，作為相對(duì)論的一個(gè)推論。質(zhì)能相當(dāng)性是原子核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，也為20世紀(jì)40年代實(shí)現(xiàn)的核能的釋放和利用開(kāi)辟了道路。 在這短短的半年時(shí)間，愛(ài)因斯坦在科學(xué)上的突破性成就，可以說(shuō)是“石破天驚，前無(wú)古人”。即使他就此放棄物理學(xué)研究，即使他只完成了上述三方面成就的任何一方面，愛(ài)因斯坦都會(huì)在物理學(xué)發(fā)展史上留下極其重要的一筆。愛(ài)因斯坦撥散了籠罩在“物理學(xué)晴空上的烏云”，迎來(lái)了物理學(xué)更加光輝燦爛的新紀(jì)元。 廣義相對(duì)論的探索 狹義相對(duì)論建立后，愛(ài)因斯坦并不感到滿足，力圖把相對(duì)性原理的適用范圍推廣到非慣性系。他從伽利略發(fā)現(xiàn)的引力場(chǎng)中一切物體都具有同一加速度這一古老實(shí)驗(yàn)事實(shí)找到了突破口，于1907年提出了等效原理。在這一年，他的大學(xué)老師、著名幾何學(xué)家閔可夫斯基提出了狹義相對(duì)論的四維空間表示形式，為相對(duì)論進(jìn)一步發(fā)展提供了有用的數(shù)學(xué)工具，可惜愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到它的價(jià)值。 等效原理的發(fā)現(xiàn)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為是他一生最愉快的思索，但以后的工作卻十分艱苦，并且走了很大的彎路。1911年，他分析了剛性轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，意識(shí)到引力場(chǎng)中歐氏幾何并不嚴(yán)格有效。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)洛倫茨變化不是普適的，等效原理只對(duì)無(wú)限小區(qū)域有效……。這時(shí)的愛(ài)因斯坦已經(jīng)有了廣義相對(duì)論的思想，但他還缺乏建立它所必需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 1912年，愛(ài)因斯坦回到蘇黎世母校工作。在他的同班同學(xué)、母校任數(shù)學(xué)教授的格羅斯曼幫助下，他在黎曼幾何和張量分析中找到了建立廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)工具。經(jīng)過(guò)一年的奮力合作，他們于1913年發(fā)表了重要論文《廣義相對(duì)論綱要和引力理論》，提出了引力的度規(guī)場(chǎng)理論。這是首次把引力和度規(guī)結(jié)合起來(lái)，使黎曼幾何獲得實(shí)在的物理意義。 不過(guò)他們當(dāng)時(shí)得到的引力場(chǎng)方程只對(duì)線性變換是協(xié)變的，還不具有廣義相對(duì)論原理所要求的任意坐標(biāo)變換下的協(xié)變性。這是由于愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)不熟悉張量運(yùn)算，錯(cuò)誤的認(rèn)為，只要堅(jiān)持守恒定律，就必須限制坐標(biāo)系的選擇，為了維護(hù)因果性，不得不放棄普遍協(xié)變的要求。 科學(xué)成就的第二個(gè)高峰 在1915年到1917年的3年中，是愛(ài)因斯坦科學(xué)成就的第二個(gè)高峰，類似于1905年，他也在三個(gè)不同領(lǐng)域中分別取得了歷史性的成就。除了1915年最后建成了被公認(rèn)為人類思想史中最偉大的成就之一的廣義相對(duì)論以外，1916年在輻射量子方面提出引力波理論，1917年又開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)。 1915年7月以后，愛(ài)因斯坦在走了兩年多彎路后，又回到普遍協(xié)變的要求。1915年10月到11月，他集中精力探索新的引力場(chǎng)方程，于11月4日、11日、18日和25日一連向普魯士科學(xué)院提交了四篇論文。 在第一篇論文中他得到了滿足守恒定律的普遍協(xié)變的引力場(chǎng)方程，但加了一個(gè)不必要的限制。第三篇論文中，根據(jù)新的引力場(chǎng)方程，推算出光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)表面所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)是1.7弧秒，同時(shí)還推算出水星近日點(diǎn)每100年的進(jìn)動(dòng)是43秒，完滿解決了60多年來(lái)天文學(xué)的一大難題。 1915年11月25日的論文《引力的場(chǎng)方程》中，他放棄了對(duì)變換群的不必要限制，建立了真正普遍協(xié)變的引力場(chǎng)方程，宣告廣義相對(duì)論作為一種邏輯結(jié)構(gòu)終于完成了。1916春天，愛(ài)因斯坦寫(xiě)了一篇總結(jié)性的論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》；同年底，又寫(xiě)了一本普及性的小冊(cè)子《狹義與廣義相對(duì)論淺說(shuō)》。 1916年6月，愛(ài)因斯坦在研究引力場(chǎng)方程的近似積分時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)力學(xué)體系變化時(shí)必然發(fā)射出以光速傳播的引力波，從而提出引力波理論。1979年，在愛(ài)因斯坦逝世24年后，間接證明了引力波存在。 1917年，愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論的結(jié)果來(lái)研究宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)，發(fā)表了開(kāi)創(chuàng)性的論文《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙所做的考察》。論文分析了“宇宙在空間上是無(wú)限的”這一傳統(tǒng)觀念，指出它同牛頓引力理論和廣義相對(duì)論都是不協(xié)調(diào)的。他認(rèn)為，可能的出路是把宇宙看作是一個(gè)具有有限空間體積的自身閉合的連續(xù)區(qū)，以科學(xué)論據(jù)推論宇宙在空間上是有限無(wú)邊的，這在人類歷史上是一個(gè)大膽的創(chuàng)舉，使宇宙學(xué)擺脫了純粹猜想的思辨，進(jìn)入現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域。 漫長(zhǎng)艱難的探索 廣義相對(duì)論建成后，愛(ài)因斯坦依然感到不滿足，要把廣義相對(duì)論再加以推廣，使它不僅包括引力場(chǎng)，也包括電磁場(chǎng)。他認(rèn)為這是相對(duì)論發(fā)展的第三個(gè)階段，即統(tǒng)一場(chǎng)論。 1925年以后，愛(ài)因斯坦全力以赴去探索統(tǒng)一場(chǎng)論。開(kāi)頭幾年他非常樂(lè)觀，以為勝利在望；后來(lái)發(fā)現(xiàn)困難重重，他認(rèn)為現(xiàn)有的數(shù)學(xué)工具不夠用；1928年以后轉(zhuǎn)入純數(shù)學(xué)的探索。他嘗試著用各種方法，但都沒(méi)有取得具有真正物理意義的結(jié)果。 1925年～1955年這30年中，除了關(guān)于量子力學(xué)的完備性問(wèn)題、引力波以及廣義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題以外，愛(ài)因斯坦幾乎把他全部的科學(xué)創(chuàng)造精力都用于統(tǒng)一場(chǎng)論的探索。 1937年，在兩個(gè)助手合作下，他從廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)一步揭示了空間——時(shí)間、物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)之間的統(tǒng)一性，這是廣義相對(duì)論的重大發(fā)展，也是愛(ài)因斯坦在科學(xué)創(chuàng)造活動(dòng)中所取得的最后一個(gè)重大成果。 在同一場(chǎng)理論方面，他始終沒(méi)有成功，他從不氣餒，每次都滿懷信心底從頭開(kāi)始。由于他遠(yuǎn)離了當(dāng)時(shí)物理學(xué)研究的主流，獨(dú)自去進(jìn)攻當(dāng)時(shí)沒(méi)有條件解決的難題，因此，同20年代的處境相反，他晚年在物理學(xué)界非常孤立?？墒撬廊粺o(wú)所畏懼，毫不動(dòng)搖地走他自己所認(rèn)定的道路，直到臨終前一天，他還在病床上準(zhǔn)備繼續(xù)他的統(tǒng)一場(chǎng)理論的數(shù)學(xué)計(jì)算。 成功的秘訣 有一次，一個(gè)美國(guó)記者問(wèn)愛(ài)因斯坦關(guān)于他成功的秘決。他回答：“早在1901年，我還是二十二歲的青年時(shí)，我已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了成功的公式。我可以把這公式的秘密告訴你，那就是A=X+Y+Z! A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少說(shuō)廢話！這公式對(duì)我有用，我想對(duì)許多人也是一樣有用?！?/div>