愛因斯坦的物理故事

  阿爾伯特·愛因斯坦因為“對理論物理的貢獻,特別是發現了光電效應”而獲得1921年諾貝爾物理學獎,現代物理學的開創者、奠基人,相對論——“質能關係”的創立者,你知道關於他的物理故事嗎?接下來小編為你整理了,一起來看看吧。

  ——相對論

  早在16歲時,愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進的電磁波,他產生了一個想法,如果一個人以光的速度運動,他將看到一幅什麼樣的世界景象呢?他將看不到前進的光,只能看到在空間裡振盪著卻停滯不前的電磁場。這種事可能發生嗎?

  與此相聯絡,他非常想探討與光波有關的所謂以太的問題。以太這個名詞源於希臘,用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀的笛卡爾和其後的克里斯蒂安·惠更斯首創並發展了以太學說,認為以太就是光波傳播的媒介,它充滿了包括真空在內的全部空間,並能滲透到物質中。與以太說不同,牛頓提出了光的微粒說。牛頓認為,發光體發射出的是以直線運動的微粒粒子流,粒子流衝擊視網膜就引起視覺。18世紀牛頓的微粒說佔了上風,19世紀,卻是波動說佔了絕對優勢。以太的學說也大大發展:波的傳播需要媒質,光在真空中傳播的媒質就是以太,也叫光以太。與此同時,電磁學得到了蓬勃發展,經過麥克斯韋、赫茲等人的努力,形成了成熟的電磁現象的動力學理論——電動力學,並從理論與實踐上證明光就是一定頻率範圍內的電磁波,從而統一了光的波動理論與電磁理論。以太不僅是光波的載體,也成了電磁場的載體。直到19世紀末,人們企圖尋找以太,然而從未在實驗中發現以太,相反,邁克爾遜-莫雷實驗卻發現以太不太可能存在。

  電磁學的發展最初也是納入牛頓力學的框架,但在解釋運動物體的電磁過程時卻發現,與牛頓力學所遵從的相對性原理不一致。按照麥克斯韋理論,真空中電磁波的速度,也就是光的速度是一個恆量;然而按照牛頓力學的速度加法原理,不同慣性系的光速不同。例如,兩輛汽車,一輛向你駛近,一輛駛離。你看到前一輛車的燈光向你靠近,後一輛車的燈光遠離。根據伽利略理論,向你駛來的車將發出速度大於C***真空光速3.0x10^8m/s***的光,即前車的光的速度=光速+車速;而駛離車的光速小於C,即後車光的速度=光速-車速。但按照這兩種光的速度相同,因為在麥克斯韋的理論中,車的速度有無並不影響光的傳播,說白了不管車子怎樣,光速等於C。麥克斯韋與伽利略關於速度的說法明顯相悖。我們如何解決這一分歧呢?

  愛因斯坦似乎就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人。愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論,特別是經過赫茲和洛倫茲發展和闡述的電動力學。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的,但是有一個問題使他不安,這就是絕對參照系以太的存在。他閱讀了許多著作發現,所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的。經過研究愛因斯坦發現,除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外,以太在洛倫茲理論中已經沒有實際意義。於是他想到:以太絕對參照系是必要的嗎?電磁場一定要有荷載物嗎?這時他開始懷疑以太存在的必要。

  愛因斯坦喜歡閱讀哲學著作,並從哲學中吸收思想營養,他相信世界的統一性和邏輯的一致性。相對性原理已經在力學中被廣泛證明,卻在電動力學中卻無法成立,對於物理學這兩個理論體系在邏輯上的不一致,愛因斯坦提出了懷疑。他認為,相對論原理應該普遍成立,因此電磁理論對於各個慣性系應該具有同樣的形式,但在這裡出現了光速的問題。光速是不變的量還是可變的量,成為相對性原理是否普遍成立的首要問題。當時的物理學家一般都相信以太,也就是相信存在著絕對參照系,這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。19世紀末,馬赫在所著的《發展中的力學》中,批判了牛頓的絕對時空觀,這給愛因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天,愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題,貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法,兩人討論了很久。突然,愛因斯坦領悟到了什麼,回到家經過反覆思考,終於想明白了問題。第二天,他又來到貝索家,說:謝謝你,我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事:時間沒有絕對的定義,時間與光訊號的速度有一種不可分割的聯絡。他找到了開鎖的鑰匙,經過五個星期的努力工作,愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。

  1905年6月30日,德國《物理學年鑑》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》,在同年9月的該刊上發表。這篇論文是關於狹義相對論的第一篇文章,它包含了狹義相對論的基本思想和基本內容。狹義相對論所根據的是兩條原理:相對性原理和光速不變原理。愛因斯坦解決問題的出發點,是他堅信相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理的思想,但他沒有對時間和空間給出過明確的定義。牛頓建立力學體系時也講了相對性思想,但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動,在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發展了相對性原理,在他看來,根本不存在絕對靜止的空間,同樣不存在絕對同一的時間,所有時間和空間都是和運動的物體聯絡在一起的。對於任何一個參照系和座標系,都只有屬於這個參照系和座標系的空間和時間。對於一切慣性系,運用該參照系的空間和時間所表達的物理規律,它們的形式都是相同的,這就是相對性原理,嚴格地說是狹義的相對性原理。在這篇文章中,愛因斯坦沒有討論將光速不變作為基本原理的根據,他提出光速不變是一個大膽的假設,是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太與電動力學問題的結果,他從同時的相對性這一點作為突破口,建立了全新的時間和空間理論,並在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。

  什麼是同時性的相對性?不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發生的呢?一般來說,我們會通過訊號來確認。為了得知異地事件的同時性我們就得知道訊號的傳遞速度,但如何測出這一速度呢?我們必須測出兩地的空間距離以及訊號傳遞所需的時間,空間距離的測量很簡單,麻煩在於測量時間,我們必須假定兩地各有一隻已經對好了的鐘,從兩個鐘的讀數可以知道訊號傳播的時間。但我們如何知道異地的鐘對好了呢?答案是還需要一種訊號。這個訊號能否將鍾對好?如果按照先前的思路,它又需要一種新訊號,這樣無窮後退,異地的同時性實際上無法確認。不過有一點是明確的,同時性必與一種訊號相聯絡,否則我們說這兩件事同時發生是無意義的。

  光訊號可能是用來對時鐘最合適的訊號,但光速非無限大,這樣就產生一個新奇的結論,對於靜止的觀察者同時的兩件事,對於運動的觀察者就不是同時的。我們設想一個高速執行的列車,它的速度接近光速。列車通過站臺時,甲站在站臺上,有兩道閃電在甲眼前閃過,一道在火車前端,一道在後端,並在火車兩端及平臺的相應部位留下痕跡,通過測量,甲與列車兩端的間距相等,得出的結論是,甲是同時看到兩道閃電的。因此對甲來說,收到的兩個光訊號在同一時間間隔內傳播同樣的距離,並同時到達他所在位置,這兩起事件必然在同一時間發生,它們是同時的。但對於在列車內部正中央的乙,情況則不同,因為乙與高速執行的列車一同運動,因此他會先截取向著他傳播的前端訊號,然後收到從後端傳來的光訊號。對乙來說,這兩起事件是不同時的。也就是說,同時性不是絕對的,而取決於觀察者的運動狀態。這一結論否定了牛頓力學中引以為基礎的絕對時間和絕對空間框架。

  相對論認為,光速在所有慣性參考系中不變,它是物體運動的最大速度。由於相對論效應,運動物體的長度會變短,運動物體的時間膨脹。但由於日常生活中所遇到的問題,運動速度都是很低的***與光速相比***,看不出相對論效應。

  愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學,指出質量隨著速度的增加而增加,當速度接近光速時,質量趨於無窮大。他並且給出了著名的質能關係式:E=mc^2,質能關係式對後來發展的原子能事業起到了指導作用。

  ——光電效應

  光照射到某些物質上,引起物質的電性質發生變化。這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應***Photoelectric effect***。

  光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏特效應。前一種現象發生在物體表面,又稱外光電效應。後兩種現象發生在物體內部,稱為內光電效應。

  赫茲於1887年發現光電效應,愛因斯坦第一個成功的解釋了光電效應。金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應,發射出來的電子叫做光電子。光波長小於某一臨界值時方能發射電子,即極限波長,對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決於金屬材料,而發射電子的能量取決於光的波長而與光強度無關,這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾,即光電效應的瞬時性,按波動性理論,如果入射光較弱,照射的時間要長一些,金屬中的電子才能積累住足夠的能量,飛出金屬表面。可事實是,只要光的頻率高於金屬的極限頻率,光的亮度無論強弱,光子的產生都幾乎是瞬時的,不超過十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位***即光子或光量子***所組成。

  光電效應裡,電子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直於金屬表面射出,與光照方向無關 ,光是電磁波,但是光是高頻震盪的正交電磁場,振幅很小,不會對電子射出方向產生影響。

  1905年,愛因斯坦提出光子假設,成功解釋了光電效應,因此獲得1921年諾貝爾物理獎。

  “上帝不擲骰子”

  愛因斯坦曾經是量子力學的催生者之一,但是他不滿意量子力學的後續發展,愛因斯坦始終認為“量子力學***以玻恩為首的哥本哈根詮釋:“基本上,量子系統的描述是機率的。一個事件的機率是波函式的絕對值平方。”***不完備”,但苦於沒有好的解說樣板,也就有了著名的“上帝不擲骰子”的否定式吶喊!愛因斯坦到過世前都沒有接受量子力學是一個完備的理論。愛因斯坦還有另一個名言:“月亮是否只在你看著他的時候才存在?”***注:愛因斯坦對量子力學的挑戰已經失敗,試驗證實了,“上帝不僅擲骰子,而且他總是把骰子扔到我們看不到的地方!”——斯蒂芬·威廉·霍金***