浅谈爱因斯坦

从相对论到量子力学

---浅谈爱因斯坦的研究

摘要：

二十世纪，相对论和量子力学是物理学界最伟大的成就。科学家的视野从牛顿的经典中离开，开始转向更为广袤的天地———高速运动和微观粒子的世界。

爱因斯坦是相对论的创立者，是量子力学的催生者之一。毫无疑问，他是伟大的。

但伟人并不意味着完美。

爱因斯坦始终排斥着玻尔的量子系统的概率论。他说，“上帝不掷骰子。”

但实验是铁证。

玻尔说：“我们不能告诉上帝，该做什么。”

霍金评论道， “上帝不仅掷骰子，而且他总是把骰子扔到我们看不到的地方！”

从相对论到统一场理论，爱因斯坦试图用数学统一整个物理。但是，上帝掷了骰子，他还是失败了。

关键词：相对论，量子力学，爱因斯坦，场理论。

引言：作为二十世纪最伟大的物理学家，爱因斯坦以其天才的头脑，提出了相对论。但，作为二十世纪的另一座里程碑——量子力学，爱因斯坦却没有留下过多的贡献。而倾尽毕生之力的场理论，成为了爱因斯坦的遗憾。

是什么原因造成了这样的状况呢？为什么已经登上巅峰的爱因斯坦终究没能攻下另一座堡垒？

正文：一、爱因斯坦是如何创立相对论的

1、伯尔尼的辉煌记录

1905年，在不到8个星期内，四篇划时代的论文被寄到《物理学杂志》 。

这四篇论文分别是《论动体的电动力学》、《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》、《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》和《物体的惯性同她所含的能量有关吗？》。相对应的内容是著名的狭义相对论、量子学论文、布朗运动的理论解释和质能转换定律。

就是在远离科学中心的伯尔尼，身为无名小卒的爱因斯坦发表了彻底改变现代物理学和宇宙学的四篇论文，他的1905年的奇迹年（annus mirabilis）总是被庆祝，他如泉水般喷涌的天才引发了令人惊愕的敬意。

2、天才的思考

空间和时间的概念在狭义相对论中扮演着重要的角色，也是最大的突破。因为在牛顿的绝对时空观里，空间和时间是具有绝对的意义的，并且相互独立。

1905年以前的很长一段时间内，爱因斯坦一直思考着一个很困难的问题：麦克斯韦的方程组是正确的，光速是不变的。但光速的不变性又与经典力学的速度相加规则相矛盾。在和朋友的一次谈话之后，这个问题解开了：时间和信号速度之间有着不可分割的联系。

从某个角度来讲，狭义相对论几乎是直接从麦克斯韦的电磁场理论地出来的。麦克斯韦的电磁理论具有一种不对称性。而他认为这种不对称性是值得怀疑的，因为它破坏了物理学中的统一和内在的和谐。而不对称性起源于其理论中少不了的“绝对静止”的以太。方程组推出光速是恒定的，但这是对哪个参考系成立的呢？包括洛伦兹在内的一些物理学家明确承认绝对静止的“以太”的存在。可是所有的以太漂移实验都失败了，经典物理学走入了死胡同。

但爱因斯坦认为，绝对静止的以太是一个错误的概念，这明显破坏了对称性和统一性。爱因斯坦以其惊人的想象力，抛弃了经典力学的速度合成法，肯定了同时性在不同惯性参考系中是相对的，提出了空间和时间的相对性和统一性。不变的不是时间和空间，而是光速。

绝对静止是人类的假想，并不足以成为一个客观规律。自然界的存在和发展并不以人的意志为转移。他认为，好的物理规律是恒定不变的，如果事实无法与方程结合，那么努力让它们统一。用一组方程，用最简洁的表达，阐述真理。

不得不说，爱因斯坦是当之无愧的天才。身体活在低速运动的世界，思想已经俯瞰整个宇宙。

3、相对论的意义

相对论是物理学界的一场革命。

首先，相对论动力学揭示了物质与运动的内在联系，指出了高速运动的物体的质量明显与运动状态有关。其次，就是那个著名的公式：E=mc^2。最后，相对论还得出了动量守恒和能量守恒定律的统一，从而揭示了两种运动量度的统一。

另外，广义相对论证明了睡醒近日点的进动现象和光线弯曲现象，并且成为后来许多天文概念的理论基础。

斯塔赫尔说：“他（爱因斯坦）在20世纪头十年的立场的独特之处是。他毫不动摇地坚信经典力学概念和麦克斯韦电动力学的概念——以及两者的任何纯粹的修正和补充——都不足以说明日益增多的、与物质和辐射相关的新发现。他不断提醒同行，必须从根本上引进新概念，用以解释物质和辐射两者的结构。”

二、爱因斯坦与光量子

1、另一场革命

1903年，他写出了《热力学基础理论》，独立地提出了类似于吉布斯在1901年提出的统计理论，这为他此后建立光量子论和固体比热理论奠定了基础。

从这点可以看出，爱因斯坦并不是一个纯粹的数学完美主义者。数学有时无法解决物理现象。他是承认统计学在物理学研究中的价值。

1900年12月14日，普朗克在德国物理学会上发表了《正常光谱中的能量分布的理论》，正式宣告了“量子理论”的诞生。但此后十年，这一大胆的设想仍然难以为人们所接受。

1905年，爱因斯坦提出了“光量子”假说。他指出，麦克斯韦的波动理论仅仅对时间的平均值有效，而对瞬时的涨落则必须引入量子的概念。光，不仅仅在发射和吸收时才不连续地进行，而且是在空间传播时也是不连续的。波动的振幅（即光强）决定于光量子在某点上的数目。不过，这数目是统计上的平均值。光量子假说完美地解释了光电效应。

2、光量子的困境

光量子假说说明了两方面的内容：粒子及其能量的不连续性或分立特征，关于电磁事件的函数以及关于在一个扩展波阵面中每单位面积的能量函数的连续性。

正因如此，光量子的假说遭到几乎所有的物理学家的反对，就连普朗克，也对光量子假说持怀疑态度。原因在于光量子破坏了经典力学的审美观。波粒二象性无法为当时的物理学界所接受。抽象化的概念颠覆了已有的认知。

狭义相对论离奇的时空观和物质—能量观，在我们看来，已是一场革命。但爱因斯坦认为光量子的提出才是具有革命性的，狭义相对论实在不值一提。

三、量子力学的发展

导致二十世纪物理学革命的重大问题之一是黑体辐射问题。曾有科学界把这一难题称为“紫外灾难”。

在这一领域中，我们可以报出很多耳熟能详的名字：普朗克，玻尔，薛定谔，海森伯，狄拉克，德布罗意，基尔霍夫……

在今天的中学物理课本上，我们都可以看到这些人的名字。

1900年．普朗克发表量子理论。

1905年，爱因斯坦发表光量子论文。

1913年，玻尔发表论述氢原子的论文。

1924年，玻色的量子统计。

1925年，海森伯——矩阵力学。

1926年，薛定谔——波动力学。费米发表了“费米—狄拉克统计”论文。玻恩诠释了量子力学几率。狄拉克从第一性原理推导出普朗克的辐射定律。

1927年．海森伯表述了他的不确定性关系式。玻尔第一次陈述互补性原理。爱因斯坦第一次公开反对量子力学。

四、为什么爱因斯坦在量子力学上无所作为？其后的场理论为什么失败了？

1、索尔维之争

爱因斯坦成为量子力学的旁观者。我认为有以下几点理由。其一，相对论耗费了太多的时间和精力，这直接导致了他有时无暇顾及量子理论问题。在爱因斯坦的后期研究工作中，统一场理论又占了主要部分。其二，是观念上的问题。在第五届索尔维会议上，爱因斯坦第一次与玻尔交锋。他明确表示，不确定性原理和互不理论只是运用基本物理过程的时间和空间来碰运气。即使在会议之后爱因斯坦仍然没有被说服。他第一次公开反对量子力学。在第六届索维尔会议上，爱因斯坦提出了光盒子佯谬，试图一绝推翻不确定性原理，但失败了。他始终相信，在几率诠释背后还有更深一层的基本原理。至此，天才走入了误区，并且头撞南墙。这也证明了，科学在争论中还是不断前行的。

有趣的是，爱因斯坦和玻尔是好朋友。正如伽利略和开普勒是知己，但伽利略至死都不相信地球绕太阳运行的轨道是椭圆一样。爱因斯坦和玻尔在不确定原理和互补原理上不曾达成共识。

但不可否认的是，爱因斯坦对量子力学的创建有很深的影响。海森伯对比相对论中被否定的“绝对时间”，去掉了那些不可观测量，仅仅使用可以观测的物理量，例如频率和强度。德布罗意的物质波思想是受到爱因斯坦的启发。

同样，爱因斯坦与玻尔的争论也促进了量子力学的发展。二人不断用实验和理论，企图让对方屈服。这给物理思想带来更广阔的空间，更多的惊喜。

2、壮志未酬——场理论

爱因斯坦相信物理存在统一和内在的和谐。如果说相对论和光量子假说是惊世之笔，那么未竟的场理论则是决定了未来的走向。

我认为，场理论的失败，是爱因斯坦生不逢时。他可以是物理学的集大成者，但一切要建立在我们已经基本看清了整个真理的基础上。当我们还是在海滩上捡着上帝随意丢弃的贝壳时，我们无法断言，这个海滩上的贝壳种类。我们还活在很多的谜团中，跌跌撞撞地前行。并且，在研究统一场论时的爱因斯坦已经没有当初那种不可思议的直觉了。再者，他所熟悉的只有电磁场和引力场两种作用力，对于指导20世纪三十年代才发现的强相互作用和弱相互作用，他并没有考虑进去。而统一场论，必定是四者合一。对量子力学的漠视，同样阻碍了他的研究。

一次次找到新的道路，一次次失败。25年追求同一目标，然后失败。爱因斯坦的晚年有着一种悲剧英雄式的苍凉。即使到生命的最后，他依然请求别人把他的统一场论计算的最后一页拿给他，似乎还要进行最后的思考。

这种锲而不舍的精神是当代科学家所应当学习的。

物理学的大一统是一个必经的走向。1979年的诺贝尔物理学奖的获得者就是因为完成了基本粒子间的弱相互作用和电磁作用的统一理论。

我们期待下一个“爱因斯坦”的出现。

参考文献：《科学史读本》（钮卫星、江晓原编——上海交通大学出版社，上海，2008年，279—301）

《爱因斯坦恩怨史》（弗里茨·斯特恩著——上海科技教育出版社，上海，2004年）

《窥见上帝秘密的人：爱因斯坦》（杨建邺著——海南出版社，海口，

2003年，130—150,413—423,517—528）

《上帝的方程式—爱因斯坦、相对论和膨胀的宇宙》（[美]阿米尔·D·阿克塞尔——上海译文出版社，上海，2005年）

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/2b70be0852ea551810a68770.html