哪年是愛因斯坦的奇跡年？

【專家解說】：愛因斯坦早年智力不是很好的 從12歲開始，看數(shù)學(xué) 到別人家里借書 到16歲時已經(jīng)看完微積分 開始學(xué)高等數(shù)學(xué) 下來就碌碌續(xù)續(xù)的開始發(fā)表他的理論 知道走時，還在研究 在研究量子 下來是查的 1905年的奇跡 1905年，愛因斯坦在科學(xué)史上創(chuàng)造了一個史無前例奇跡。這一年他寫了六篇論文，在三月到九月這半年中，利用在專利局每天八小時工作以外的業(yè)余時間，在三個領(lǐng)域做出了四個有劃時代意義的貢獻(xiàn)，他發(fā)表了關(guān)于光量子說、分子大小測定法、布朗運(yùn)動理論和狹義相對論這四篇重要論文。 1905年3月，愛因斯坦將自己認(rèn)為正確無誤的論文送給了德國《物理年報》編輯部。他靦腆的對編輯說：“如果您能在你們的年報中找到篇幅為我刊出這篇論文，我將感到很愉快?！边@篇“被不好意思”送出的論文名叫《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個推測性觀點(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。認(rèn)為：對于時間平均值，光表現(xiàn)為波動；而對于瞬時值，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。 這才僅僅是開始，阿爾伯特·愛因斯坦在光、熱、電物理學(xué)的三個領(lǐng)域中齊頭并進(jìn)，一發(fā)不可收拾。1905年4月，愛因斯坦完成了《分子大小的新測定法》，5月完成了《熱的分子運(yùn)動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運(yùn)動》。這是兩篇關(guān)于布朗運(yùn)動的研究的論文。愛因斯坦當(dāng)時的目的是要通過觀測由分子運(yùn)動的漲落現(xiàn)象所產(chǎn)生的懸浮粒子的無規(guī)則運(yùn)動，來測定分子的實(shí)際大小，以解決半個多世紀(jì)來科學(xué)界和哲學(xué)界爭論不休的原子是否存在的問題。 三年后，法國物理學(xué)家佩蘭以精密的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的理論預(yù)測。從而無可非議的證明了原子和分子的客觀存在，這使最堅決反對原子論的德國化學(xué)家、唯能論的創(chuàng)始人奧斯特瓦爾德于1908年主動宣布：“原子假說已經(jīng)成為一種基礎(chǔ)鞏固的科學(xué)理論”。 1905年6月，愛因斯坦完成了開創(chuàng)物理學(xué)新紀(jì)元的長論文《論運(yùn)體的電動力學(xué)》，完整的提出了狹義相對論。這是愛因斯坦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)的時空觀念，揭露了物質(zhì)和能量的相當(dāng)性，創(chuàng)立了一個全新的物理學(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)就成為了相對論力學(xué)在低速運(yùn)動時的一種極限情況。這樣，力學(xué)和電磁學(xué)也就在運(yùn)動學(xué)的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。 1905年9月，愛因斯坦寫了一篇短文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》，作為相對論的一個推論。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辟了道路。 在這短短的半年時間，愛因斯坦在科學(xué)上的突破性成就，可以說是“石破天驚，前無古人”。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，愛因斯坦都會在物理學(xué)發(fā)展史上留下極其重要的一筆。愛因斯坦撥散了籠罩在“物理學(xué)晴空上的烏云”，迎來了物理學(xué)更加光輝燦爛的新紀(jì)元。 廣義相對論的探索 狹義相對論建立后，愛因斯坦并不感到滿足，力圖把相對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論的四維空間表示形式，為相對論進(jìn)一步發(fā)展提供了有用的數(shù)學(xué)工具，可惜愛因斯坦當(dāng)時并沒有認(rèn)識到它的價值。 等效原理的發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦認(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)動圓盤，意識到引力場中歐氏幾何并不嚴(yán)格有效。同時還發(fā)現(xiàn)洛倫茨變化不是普適的，等效原理只對無限小區(qū)域有效……。這時的愛因斯坦已經(jīng)有了廣義相對論的思想，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論的數(shù)學(xué)工具。經(jīng)過一年的奮力合作，他們于1913年發(fā)表了重要論文《廣義相對論綱要和引力理論》，提出了引力的度規(guī)場理論。這是首次把引力和度規(guī)結(jié)合起來，使黎曼幾何獲得實(shí)在的物理意義。 不過他們當(dāng)時得到的引力場方程只對線性變換是協(xié)變的，還不具有廣義相對論原理所要求的任意坐標(biāo)變換下的協(xié)變性。這是由于愛因斯坦當(dāng)時不熟悉張量運(yùn)算，錯誤的認(rèn)為，只要堅持守恒定律，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)成就的第二個高峰 在1915年到1917年的3年中，是愛因斯坦科學(xué)成就的第二個高峰，類似于1905年，他也在三個不同領(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論以外，1916年在輻射量子方面提出引力波理論，1917年又開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)。 1915年7月以后，愛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)變的引力場方程，但加了一個不必要的限制。第三篇論文中，根據(jù)新的引力場方程，推算出光線經(jīng)過太陽表面所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)是1.7弧秒，同時還推算出水星近日點(diǎn)每100年的進(jìn)動是43秒，完滿解決了60多年來天文學(xué)的一大難題。 1915年11月25日的論文《引力的場方程》中，他放棄了對變換群的不必要限制，建立了真正普遍協(xié)變的引力場方程，宣告廣義相對論作為一種邏輯結(jié)構(gòu)終于完成了。1916春天，愛因斯坦寫了一篇總結(jié)性的論文《廣義相對論的基礎(chǔ)》；同年底，又寫了一本普及性的小冊子《狹義與廣義相對論淺說》。 1916年6月，愛因斯坦在研究引力場方程的近似積分時，發(fā)現(xiàn)一個力學(xué)體系變化時必然發(fā)射出以光速傳播的引力波，從而提出引力波理論。1979年，在愛因斯坦逝世24年后，間接證明了引力波存在。 1917年，愛因斯坦用廣義相對論的結(jié)果來研究宇宙的時空結(jié)構(gòu)，發(fā)表了開創(chuàng)性的論文《根據(jù)廣義相對論對宇宙所做的考察》。論文分析了“宇宙在空間上是無限的”這一傳統(tǒng)觀念，指出它同牛頓引力理論和廣義相對論都是不協(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邊的，這在人類歷史上是一個大膽的創(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。 漫長艱難的探索 廣義相對論建成后，愛因斯坦依然感到不滿足，要把廣義相對論再加以推廣，使它不僅包括引力場，也包括電磁場。他認(rèn)為這是相對論發(fā)展的第三個階段，即統(tǒng)一場論。 1925年以后，愛因斯坦全力以赴去探索統(tǒng)一場論。開頭幾年他非常樂觀，以為勝利在望；后來發(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)的完備性問題、引力波以及廣義相對論的運(yùn)動問題以外，愛因斯坦幾乎把他全部的科學(xué)創(chuàng)造精力都用于統(tǒng)一場論的探索。 1937年，在兩個助手合作下，他從廣義相對論的引力場方程推導(dǎo)出運(yùn)動方程，進(jìn)一步揭示了空間——時間、物質(zhì)、運(yùn)動之間的統(tǒng)一性，這是廣義相對論的重大發(fā)展，也是愛因斯坦在科學(xué)創(chuàng)造活動中所取得的最后一個重大成果。 在同一場理論方面，他始終沒有成功，他從不氣餒，每次都滿懷信心底從頭開始。由于他遠(yuǎn)離了當(dāng)時物理學(xué)研究的主流，獨(dú)自去進(jìn)攻當(dāng)時沒有條件解決的難題，因此，同20年代的處境相反，他晚年在物理學(xué)界非常孤立。可是他依然無所畏懼，毫不動搖地走他自己所認(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)一場理論的數(shù)學(xué)計算。 成功的秘訣 有一次，一個美國記者問愛因斯坦關(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，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是少說廢話！這公式對我有用，我想對許多人也是一樣有用。”