爱因斯坦的贡献

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范文一:爱因斯坦的巨大贡献

爱因斯坦的巨大贡献

姓名:张剑

学号:080602147

专业:网络工程

班级:08网络工程1班

爱因斯坦(1879-1955),美籍德国犹太人。他创立了代表现代科学的相对论,并为核能开发奠定了理论基础,在现代科学技术和它的深刻影响及广泛应用方面开创了现代科学新纪元,被公认为自伽利略、牛顿以来最伟大的科学家、思想家。1921年诺贝尔物理学奖获得者。现代物理学的开创者和奠基人,相对论——―质能关系‖的提出者,―决定论量子力学诠释‖的捍卫者(振动的粒子)——不掷骰子的上帝。 1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为―世纪伟人‖。

建立相对论是爱因斯坦一生最伟大的成就,1900年前后,在人们头脑中“以太”观念占统治地位,大家都认为光波(电磁波)是以太的弹性振动,麦克斯韦(J. CMaxwell)就是从以太的弹性理论导出他的著名的电磁方程组的。一个需要弄清的问题是,地球相对于以太是否运动? 那时候哥白尼的日心说和牛顿的绝对时空观都已被普遍接受。地球不是宇宙的中心,不应该相对于绝对空间静止。比较合理的想法是:以太相对于绝对空间静止,地球相对于以太(即相对于绝对空间)运动。天文学的光行差现象(1728, 1810)支持这一观点。 但是,精密的迈克尔逊(A. Michelson, 1881,1887)实验却没有测到这一运动。另外,法国人斐索(A. H. Fizeau, 1851)的流水实验表明:运动介质似乎会部分地带动以太,但又不全带动,即地球相对于以太似乎有一定程度的运动。斐索实验也与光行差现象矛盾。当时物理界的大多数人注意的是迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾,而爱因斯坦主要注意的是斐索实验与光行差现象的矛盾。总之,大家都觉得以太理论出现了矛盾。洛伦兹(H. A. Lorentz, 1892)和斐兹杰惹(G·F·Fitzgerad, 1889, 1893)各自独立地注意到,如果假定刚尺在相对以太(绝对空间)运动的方向上会有如下的长度收缩(洛伦兹收缩):

/ (2) 则迈克尔逊实验将测不出地球相对以太的运动速度(他们认为这一速度“实际是存在的”, 只是测不出而已) ,这样,迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾就可以消除。 式中v是刚尺相对以太的运动速度, c是光速,l0是刚尺静止时的长度, l则是刚尺相对以太运动时的长度。 洛伦兹注意到,从当时公认的伽利略变换:

=x –vt (3)

(3)不仅推不出(2)式,而且不能使麦克斯韦方程组在此变换下不变。 洛伦兹1904年给出了一个新的惯性系之间的变换关系:

= ,

=y ,=z ,= (4) 此关系可以使麦克斯韦电磁理论在坐标变换下不变,而且可以推出洛伦兹收缩的公式

(2) 。变换(4)称为洛伦兹变换,此外, 在一些特殊的情况下,质量公式: m= (5)

和质能关系式: Emc (6) 均已有人给出。但是,首先正确阐述相对论,认识到它是一个时空理论,并给出完整理论体系和上述全部结论的是爱因斯坦,而不是别人。 这是因为,只有爱因斯坦在两个基本观念(“相对性原理”和“光速的绝对性”)上同时实现了突破。“光速不变原理”不仅是说真空中的光速均匀各向同性,是一个常数c,更重要的是说在任何惯性系中测量,真空中的光速都是同一个常数c。按照人们的日常观念,如果相对于光源静止的观测者测得的光速是c,那么以速度v向着光源运动的观测者测到的光速将是(c + v) 。 而以速度v背离光源运动的观测者测到的光速将是(c - v) 。爱因斯坦提出的“光速不变原理”则是说,上述3个观测者测得的光速都是同一值c。也就是说,在爱因斯坦看来,光速是绝对的,对任何观测者都一样,与光源相对于观测者的运动无关。爱因斯坦能够从纷乱的理论探讨和实验资料中,认识到应该把光速看作绝对的,并毅然提出这一全新的观念,是极其难能可贵的。

爱因斯坦以“相对性原理”和“光速的绝对性”(“光速不变原理”)为基石,建立起狭义相对论的理论体系,并得到大量重要的让人难以理解的结论。 其中,他指出“同时”不是一个绝对的概念,而是一个相对的概念,也是观念上的重要突破。 在此之前,人们早已认识到两个事件是否发生在同一地点,对不同观测者会有不同的结论,即“同地”是一个相对的概念。 但两个事件是否同时发生,则都认为是一个绝对的概念,即任何观测者都会有相同的结论。 爱因斯坦突破了这一观念,指出“同时”也是相对的,只不过我们通常接触到的参考系,运动速度较小,“同时的相对性”不明显。 当运动速度接近光速时,“同时的相对性”将明显地表现出来。 在认识到“同时的相对性”之后,“动钟变慢”、“动尺缩短(洛伦兹收缩) ”等效应就会变得比较容易理解。

爱因斯坦提出相对论的划时代论文,充满了难懂的革命性的新思想, 而只用了当时大学本科生就能看懂的数学工具,并且没有引用任何参考文献。如果放在今天,这样的文章恐怕很难通过审稿。一般的审稿人不是看不懂其中的物理内容,就是会轻视作者的数学水平,或者因作者不引文献而误认为文章的内容跟不上世界潮流,显得没有水平。爱因斯坦很幸运,这篇文章被送给水平高、思想活跃而又不压制年轻人的普朗克审稿,一下就被推荐发表在德国的物理年鉴上。 此后,他又连续发表几篇论文,建立起狭义相对论的全部框架。

相对论(狭义相对论)发表之后,爱因斯坦很快认识到自己的理论有两个严重因难。 牛顿把惯性系定义为相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系,相对论不承认有绝对空间,这就给惯性系的定义造成了困难。 整个相对论建立在惯性系的基础上,惯性系却无法定义,理论的基石出现了问题。 此外,虽然电磁理论与相对论相容,万有引力却纳不进相对论的框架。 当时只知道这两种力,其中一种力的理论就与相对论有矛盾,此困难之严重可想而知。 不过,当时只有爱因斯坦一个人认识到了上述困难,其余人都在忙着理解相对论本身。爱因斯坦单枪匹马地展开了对这两个困难的研究。 几年之后他就认识到不应就事论事,而应该独辟蹊径。 在几经考虑之后,他决定不去勉强定义惯性系,而是暂时躲开这一因难,他决定取消惯性系在物理理论中的特殊地位,把相对性原理(物理规律在所有惯性系中都相同)推广为“广义相对性原理”,物理规律在所有参考系(包括惯性系和非惯性系)中都相同。 这样,就可以不必定义惯性系,也就躲开了这一困难。 但是,非惯性系中有惯性力,如何处理惯性力呢? 他很快从马赫对水桶实验的讨论得到启发,认识到引力与惯性力可能有相同的起源(马赫原理)。 在用牛顿理论对伽利略的自由落体实验进行分析之后,他悟出了等效原理(引力场与惯性场局域不可区分)。 最重大的突破在于他猜出了万有引力不是真正的力,而是一种几何效应。 把物理规律的本质看作几何,这是任何其他人完全想不到的事情。他猜测物质的存在会引起时空的弯曲,万有引力正是时空弯曲的表现。 他基本上独自一个人完成了新理论的构建。 他把新理论看作相对论的推广,命名为广义相对论,此后就把原来洛伦兹命名的那部分相对论称为2

狭义相对论 。认识到万有引力是几何效应,认识到物质的存在会影响时空的几何,会使时空弯曲,而弯曲的时空又会反过来影响物质的运动,是人类认识史上的一次大飞跃。 在广义相对论看来,由于万有引力不是真正的力,地球上的自由落体运动和太空中的行星绕日运动都是惯性运动,它们在时空中描出的轨迹,是直线在弯曲时空中的推广——短程线。 不过,需要说明,由于四维时空中的几何实际上是伪欧几里得或伪黎曼的,作惯性运动的自由质点描出的“短程线”,不是两点间的最短线,而是最长线。 当时空恢复平直时,“短程线”就成为通常的直线。严格而美妙的数学物理体系,高深难懂的黎曼几何和张量分析,精密神奇的实验验证,再加上爱因斯坦发表狭义相对论和光子说的巨大影响,使广义相对论一下就得到了科学界的承认。 爱因斯坦的威望也达到了一生中的顶峰。实际上广义相对论的建立比狭义相对论要漫长得多。 最初,爱因斯坦企图把万有引力纳入狭义相对论的框架,几经失败使他认识到此路不通。 反复思考后他产生了等效原理的思想。 爱因斯坦曾回忆这一思想产生的关键时刻:“有一天,突破口突然找到了。 当时我正坐在伯尔尼专利局办公室里,脑子忽然闪现了一个念头,如果一个人正在自由下落,他决不会感到自己有重量。我吃了一惊,这个简单的理想实验给我的印象太深了。 它把我引向了引力理论。”。 从1907年发表有关等效原理的论文开始,爱因斯坦几乎单枪匹马奋斗了9年,才把广义相对论的框架大体建立起来。 1905年发表狭义相对论时,有关的条件已经成熟,洛伦兹、彭卡莱等一些人,都已接近狭义相对论的发现。 而1915年发表广义相对论时,爱因斯坦则远远超前于那个时代所有的科学家,除他之外,没有任何人接近广义相对论的发现。 所以爱因斯坦自豪地说:如果我不发现狭义相对论, 5年以内肯定会有人发现它。 如果我不发现广义相对论, 50年内也不会有人发现它。

狭义相对论的问世,震动了物理学界,也使这位年轻学者的名字,马上传遍了整个欧洲,给他带来了极高的声誉。德国著名的理论物理学家普朗克,向布拉格大学推荐爱因斯坦时说:“要对爱因斯坦理论作出中肯评价的话,那么可以把他比作20世纪的哥白尼。这也正是我所期望的评价。”

爱因斯坦先后生活在西方政治漩涡中心的德国和美国,经历过两次世界大战,目睹了科学技术在两次大战中所造成的巨大破坏,因此,他认为战争与和平的问题是当代的首要问题,他一生中发表得最多的也是这方面的言论。他对政治问题第一次公开的表态是1914年签署的《告欧洲人书》,是一个反对第一次世界大战的声明,最后一次是1955年4月签署的“罗素—爱因斯坦宣言”,仍然是呼吁人们团结起来,防止新的世界大战的爆发,这其间四十多年,他多次发表文章和演讲,号召全世界人民团结起来、反对战争。

1914年10月中旬,包括爱因斯坦在内的四个人签署了一封《告欧洲人书》,公开与93人签名的《告文明世界书》针锋相对。这个宣言虽不是爱因斯坦写的,但同他的政治思想完全一致。其中写到:“以前任何一次战争都没有像现在这样完全破坏文化合作。”“目前正在蔓延开的战火是很难产生‘胜利者’的,所有参加战争的国家很可能都将付出极高的代价。因此,一切国家里有教养的人都要尽力去争取这样一种和平条约,这种条约不管目前冲突的结果如何,将都不会撒下未来战争的种子;这样的努力显然不仅是明智的,而且也是必要的。”“朝着这个方向走的第一步,应当是一切真正爱护欧洲文化的人 —— 一切曾经为歌德所预言的‘善良的欧洲人’的人们 —— 团结起来。”“我们自己所探索的不过是行动的第一步,就是发出这个挑战书。如果您同我们一条心,如果您也决心为欧洲的统一开创一个广泛的运动,那么就请您签上自己的名字吧。”

1914年8、9月,爱因斯坦在给埃伦费斯特的信中表示反战情绪,同年11月,参与了反战知识分子在柏林组成的“新祖国联盟”,并多次在会议上登台演说。1915年3月,爱因斯坦写信给法国大作家、反战人道主义者罗曼·罗兰,支持他的反战活动,同年4月,爱因斯坦写信动员洛伦兹参与“荷兰反战委员会”。有时,爱因斯坦还与国外反战人士会晤,并大声疾呼:“战争对国际合作的发展是最可怕的障碍,尤其在于它对文化的影响。战争破坏

了知识分子从事创造性工作不可缺少的一切条件。„„而且,战争导致国家贫困,导致长期的经济萧条。所以,凡是珍惜文化价值的人,就不会不成为和平主义者。”1917年秋天,对于俄国工人和农民革命的胜利,爱因斯坦表现出由衷的喜悦。他认为这是马克思主义学说在一个大国里的一次成功偿试,并高度评价俄国革命导师列宁。

1927年2月,爱因斯坦在巴比塞起草的反法西斯宣言上签名,参加国际反帝大同盟,并被选为名誉主席。1930年5月,在“国际妇女和平与自由同盟”的世界裁军声明上签字,同年5月30日,爱因斯坦领头签署了一份著名反战宣言,即《全世界裁军宣言》,同时签名的还有罗素、兹伐格、托玛斯·曼、阿丹兹和巴甫洛夫。这个宣言连同1914年的《告欧洲人书》和1955年的《罗素—爱因斯坦宣言》一样体现出爱因斯坦的信念:和平与和谐。同年12月14日,在美国纽约,由“新历史学会”主办的集会上,爱因斯坦发表了“战斗的和平主义”的演讲。在这篇著名演讲中,爱因斯坦提出了两条制止战争的“行动方针”。1913年,“反战国际”甚至设立了一个名叫“爱因斯坦反战者国际基金”。为参加1932年的国际裁军会议,他特地事先发表了一系列文章和演讲,1932年5月,爱因斯坦参加了日内瓦裁军大会,感到极端失望。

1933年5月26日,爱因斯坦在给劳厄的信中指出科学家对重大政治问题不应当默不作声。同年7月,爱因斯坦的思想转变了。和平的幻想已经破灭,他挺身而出告诉人民,只要法西斯主义统治着德国,就不会有和平。在这生死关头,只有准备战斗,才有可能求生。1934年11月美国芝加哥《政治》中一个名叫阿林生的人,写了一篇批评爱因斯坦改变和平主义者立场的文章,题为《爱因斯坦,请你为欧洲和平发言》。爱因斯坦写了题为《和平主义的重新审查》一文,从现实角度呼吁人们丢掉幻想,准备与希特勒的纳粹德国作殊死的战斗。

1937年4月18日,纽约举行支援西班牙共和国的群众大会,参加的有3500人,爱因斯坦因病没有出席。但他请人在集合上宣读了他的电报:“我首先要大声疾呼,为拯救在西班牙的自由,必须采取有力的行动。„„我衷心祝愿你们在这一正义的和意义深远的事业中取得成功。”

1944年,为支持反法西斯战争,爱因斯坦以600万美元拍卖1905年狭义相对论论文手稿。同年12月,爱因斯坦在同斯特恩、玻尔讨论原子武器和战后和平问题时,听从波尔劝告,暂时保持沉默。1945年3月爱因斯坦同西拉德讨论原子军备的危险性。

1945年8月美国在日本的广岛和长崎各投下一枚原子弹。两地顿时变成焦土。有人开始把爱因斯坦叫做“原子弹之父”,因为他的公式E=mc2奠定了原子弹的理论基础;因为他给罗斯福总统的那封信,开启了原子弹研究和制造的进程。爱因斯坦在听到广岛和长崎的悲剧后深感痛心,认为这一灾难是自己制造的。因为他在一封关于研究核能方面的信上签了字,正式启动了该工程。

1955年4月,签发了由罗素起草的原名叫《科学家要求废止战争》的“罗素 — 爱因斯坦宣言”。4月5日,罗素将起草的宣言草稿寄给爱因斯坦。4月11日,爱因斯坦在宣言上签了名。两天后就患重病,18日就逝世了。这篇宣言直到同年7月9日才由罗素在伦敦公开发表。当时在宣言上签名的还有美国的布立奇曼和缪勒,英国的泡威耳和罗特布拉特,法国的约里奥·居里,波兰的英费尔德,日本的汤川秀树,后来联邦德国的麦克斯·波恩和美国的泡林也签了字。

爱因斯坦的一生是伟大的,他开创了物理学上的一个新纪元、为物理学指明了方向,同时他也为世界的和平做出了他作为一个有思想有道德有先进意识科学家的贡献与努力。

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范文二:爱因斯坦的科学贡献

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10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 □/□的一次幂上才是一致的;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:□=□□□, 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1926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□。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,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□,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□,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;以后发现困难重重,感觉到现有数学工具 不够用;1928年以后转入纯数学的探索。他尝试着用各 种方法,有时用五维表示,有时用四维表示,但都没有 取得具有真正物理意义的结果。

从1925~1955年这30年中,除了关于量子力学的完 备性问题、引力波以及广义相对论的运动问题以外,爱 因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的 探索。1937年,在两个助手合作下,他从广义相对论的 引力场方程推导出运动方程,进一步揭示了空间-时间、 物质、运动之间的统一性,这是广义相对论的重大发展, 也是爱因斯坦在科学创造活动中所取得的最后一个重大 成果。可是在统一场论方面,他始终没有成功。他碰到 过无数次失败,但从不气馁,每次都满怀信心地从头开 始。由于他远离了当时物理学研究的主流,独自去进攻 当时没有条件解决的难题,再加上他在量子力学的解释 问题上同当时占主导地位的哥本哈根学派针锋相对,因 此,同20年代的处境相反,他晚年在物理学界非常孤立。 可是他依然无所畏惧,毫不动摇地走他自己所认定的道 路去探索真理,一直到临终前一天,他还在病床上准备 继续他的统一场论的数学计算。他在1948年就意识到, “我完成不了这项工作;它将被遗忘,但是将来会被重 新发现。”历史的发展没有辜负他,由于70年代和80年 代一系列实验有力地支持电弱统一理论,统一场论的思 想以新的形式显示它的生命力,为物理学未来的发展提 供了一个大有希望的前景。

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范文三:爱因斯坦和达尔文谁的贡献更大

爱因斯坦和达尔文谁的贡献更大

外国语言文学学院俄语系 宋平 201011103007

摘要:爱因斯坦和达尔文是不同领域的伟大科学家,他们的研究成果对后世有极大影响。对人们的生活方式,思维方式带来巨大影响。这些影响遍及各个领域,碰撞出的火花点燃了一个个科学之梦。

关键词:爱因斯坦 达尔文 科学成就 影响

一、爱因斯坦和达尔文的主要成果

爱因斯坦,世界十大杰出物理学家之一,现代物理学的开创者、集大成者和奠基人,同时也是一位著名的思想家和哲学家。物理研究方面:相对论(广义相对论和狭义相对论),质能公式:E=mc^2,光电效应,光的波粒二象性。

达尔文,英国生物学家,进化论的奠基人,出版《物种起源》这一划时代的著作,提出了生物进化论学说,从而摧毁了各种唯心的神造论和物种不变论。除了生物学外,他的理论对人类学、心理学及哲学的发展都有不容忽视的影响。

二、爱因斯坦的研究成果及其影响

1、相对论:

几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论那几行简单的公式中, 直到今天,很多内容仍是世界物理学家们正在努力攻克的难题。相对论的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无关。狭义相

对论和广义相对论的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。

时间旅行是有可能的。狭义相对论证明,高速旅行会使时间变慢。假定人们能够制造一艘以亚光速飞行的宇宙飞船,那么一定意义上的时间旅行就变成可能了。如果飞船以亚光速从地球出发向遥远的星系飞去,来回的旅程仅仅几年(按飞船上的时间),但在地球上却已过去了数千年。广义相对论表明,时空可以不是平坦的,而是弯曲的。我们可以在地球与宇宙遥远的某处之间凿出一个虫洞,然后用某种“奇异物质”把洞口撑开,使之成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道,让我们在瞬间到达遥远的彼岸。然后当我们返回时,虫洞的奇异性质让我们年轻了很多。数学家法兰克•提普勒据此设想了把时空卷起来的时间旅行方法。他认为,如果太空中的一个巨大物体以一半光速旋转,时空便会扭曲。因此,只要将来有人制造一个巨大的圆筒,它的长约为直径的10倍,然后使圆筒以15万公里/秒的速度旋转,便会使圆筒中央附近产生一个扭曲折回的时空。要将这圆筒当时间机器使

用,宇宙飞船一定要开到圆筒的中心沿圆筒内壁盘旋飞行:逆圆筒旋转方向是驶入过去,顺圆筒旋转方向则是驶入未来。但正像所有理论上的时间机器一样,就是驶向过去无论怎样也不能到达比制成圆筒更早的时点。

2、E=mc^2质能方程

物质不灭定律,说的是物质的质量不灭;能量守恒定律,说的是物质的能量守恒。(信息守恒定律)。虽然这两条伟大的定律相继被人们发现了,但是人们以为这是两个风马牛不相关的定律,各自说明了不同的自然规律。甚至有人以为,物质不灭定律是一条化学定律,能量守恒定律是一条物理定律,它们分属于不同的科学范畴。爱因斯坦认为,物质的质量是惯性的量度,能量是运动的量度;能量与质量并不是彼此孤立的,而是互相联系的,不可分割的。物体质量的改变,会使能量发生相应的改变;而物体能量的改变,也会使质量发生相应的改变。在狭义相对论中,爱因斯坦提出了著名的质能公式:E=mc^2 (这里的E代表能量,m代表多少质量,c代表光的速度,近似值为3×10^8m/s,这说明能量可以用减少质量的方法创造!)。 爱因斯坦的质能关系公式,正确地解释了各种原子核反应:就拿氦4来说,它的原子核是由2个质子和2个中子组成的。照理,氦4原子核的质量就等于2个质子和2个中子质量之和。实际上,这样的算术并不成立,氦核的质量比2个质子、2个中子质量之和少了0.0302u(原子质量单位)!这是为什么呢?因为当2个氘[dao]核(每个氘核都含有1个质子、1个中子)聚合成1个氦4原子核时,释放出大量的原子能。

生成1克氦4原子时,大约放出2.7×10^12焦耳的原子能。正因为这样,氦4原子核的质量减少了。这个例子生动地说明:在2个氘原子核聚合成1个氦4原子核时,似乎质量并不守恒,也就是氦4原子核的质量并不等于2个氘核质量之和。然而,用质能关系公式计算,氦4原子核失去的质量,恰巧等于因反应时释放出原子能而减少的质量!这样一来,爱因斯坦就从更新的高度,阐明了物质不灭定律和能量守恒定律的实质,指出了两条定律之间的密切关系,使人类对大自然的认识又深了一步。

原子裂变证明了质能方程的正确性。约里奥•居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应:铀235的核受到中子轰击就会发生裂变,分裂成两个中等质量的新原子核,放出1~3个中子,并释放出巨大能量;这些中子又能引发其它铀核再分裂,形成连锁反应,释放巨大能量。链式反应使原子能成为杀伤力巨大的新武器。核电站等的理论基础也是质能方程。在地球资源日益枯竭的今天,核能是最具潜力的能源之一。

3、光电效应:利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性,可以制造光电转换器----实现光信号与电信号之间的相互转换。这些光电转换器如光电管等,广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。具体例子:光电管:最早的电影是没有声音的.后来虽然有了声音,但那是靠留声机来配合影片播放的.声和影配合不好时,效果当然不好.我们现在能够看到声和影完全配合一致的有声电影,还是多亏了光电管.光控继电器,工业生产中的大

部分光电控制设备都用光控继电器.光控继电器在工业上可以用于产品的自动计数、安全生产等方面。工人在冲床、钻床、锻压机械上劳动时,如有不慎,容易出事故.为保证安全,可以在这些机床上安装光控继电器.当工人不慎将手伸入危险部位时,由于遮住了光线,光控继电器就立即动作,使机床停下来,避免事故的发生。

宇宙大爆。1917年,人类仍然认为银河系就是整个宇宙,而这个宇宙永远是稳定不变的。这一年,爱因斯坦试图根据广义相对论推导整个宇宙模型,但他发现,宇宙不是膨胀就是收缩。为使这个模型保持静止,他额外增加了一个宇宙常数——表示一种斥力,同引力相反,随着天体之间距离的增大而增强。然而,爱因斯坦很快发现自己错了。因为科学家们很快发现,宇宙实际上是膨胀的。1929年,哈勃发现所有星系都在远离我们而去,这表明宇宙正在不断膨胀。宇宙的膨胀意味着,早先的星体似乎同在一个很小的范围内。1948年,伽莫夫提出了大爆炸宇宙理论,系统地提出了宇宙起源和演化的理论。根据大爆炸宇宙理论,极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。伽莫夫还作出了一个非凡的预言:宇宙仍沐浴在早期高温的残余辐射中,正如一个火炉虽不再有火,但还可以冒一点儿热气。1964年,美国贝尔公司年轻的工程师彭齐亚斯和威尔逊,在一次偶然的机会中发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射,并因此而荣获诺贝尔奖。广义相对论的智慧之处就在于,它从诞生起就能描述整个完整的宇宙,即使那些未知的领域也被全部囊括了进去。

暗能量。在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦就急忙把宇宙常数去掉了,并认为这是他“一生中最大的错误”。随后,宇宙常数被抛进历史的垃圾堆。然而造化弄人,几十年后宇宙常数又复活了。近年来,科学家们通过各种的观测和计算证实,暗能量(暗中把星系相互撕扯开来的能量)不仅存在,而且在宇宙中占主导地位,普通物质仅约占4%。暗能量的发现表明,爱因斯坦所提出的作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控。根据一些科学家的预测,再过200多亿年,宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗。

黑洞大发现。1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国物理学家卡尔•史瓦西就用这个理论描绘了一个假设的完全球状星体附近的空间和时间是如何弯曲的。他证明,假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里,比如一个天体的质量与太阳相同,而半径只有3公里时,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后产生灾难性的坍塌,使那里的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃逸!由于没有了光信号的联系,这个时空就与外面的时空分割成两个性质不同的区域,那个分割球面就是视界。这就是我们今天耳熟能详的黑洞。在黑洞中心,全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点,任何强大的力量都不可能把它们分开,这就是所谓的“奇点”状态。广义相对论无法对此进行考察,而必须代之以新的正确理论——量子理论。

三、达尔文的研究成果及影响

达尔文最伟大的贡献在于是自然科学拜托宗教的纠缠。19世纪中叶,达尔文创立了科学的生物进化学说,以自然选择为核心的达尔文进化论,第一次对整个生物界的发生、发展,作出了唯物的、规律性的解释,推翻了特创论等唯心主义形而上学在生物学中的统治地位,使生物学发生了一个革命变革。自然选择说主要包括以下三个和谐统一的内容:(1)生存斗争的理论。生殖过剩与生存条件的有限这一矛盾是地球上的物种被淘汰的外在原因之一。 (2)遗传性发生变异的理论。虽然变异的机制并不清楚,但普遍发生变异的事实不容否认,达尔文以此说明物种演变的内在原因。 (3)适者生存的理论。生存条件一直在变化,如果物种的变异适合于变化的环境,那么就在生存斗争中取得胜利而发展;如果物种的变异不适宜于它当时生存的条件,那么就趋于衰减或灭亡。

达尔文对遗传学所做出的重要贡献。主要包括3个方面:1)收集整理了大量的生物遗传变异的资料,并提出了若干重要的论点;2)创立了发育的遗传理论——泛生论,对后来的遗传理论(尤其是德弗里斯,高尔顿和魏思曼的遗传理论)产生了重要影响;3)提出了遗传物质分子载体的概念——芽球,可以看作是基因概念的雏形。 达尔文社会主义。即达尔文进化论在社会经济及政治事物中的应用。在达尔文的进化论问世之后,斯宾塞提出了

认为社会可以和生物有机体相比拟,社会与其成员的关系有如生物个体与其细胞的关系。社会达尔文主义本身并不是一种政治倾向,而是一种社会基模,根据自然界

打击犯罪方面。到20世纪80年代后期,科学家们在法庭上作证有关的DNA证据定罪的罪犯的可靠性。 这些证据已经成为一个强大的法医工具。

在医药方面,进化理论有一定指导我们,现在我们知道作为一个医学界对抗生素的使用更加小心。病毒的演变也疫苗的发展是至关重要的。 有些病毒,如脊髓灰质炎,有遗传物质的变化缓慢随着时间的推移,使医生创建一种疫苗,将持续终身。其他病毒,包括流感和艾滋病毒,是不断变化的。 这需要每年流感疫苗的变化。一些科学家也可以使用的演变,开发出药物来防治疾病,称为“定向进化的方法。”

计算机程序方面。生物学家的实验室进行定向进化实验的方法,导致眼病称为湿性黄斑变性等疾病的治疗。计算机科学家使用一个类似的过程,称为进化或遗传算法。 这项技术涉及计算机程序编写特定的任务,许多人,如管理空中交通或天气预报。正如一个物种的成员在野生资源的竞争,互相竞争,混合和匹配行代码,并最终产生了一定的任务最有效的算法。

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范文四:爱因斯坦对量子理论的贡献

1引言

正像历史学家认为17世纪下半叶是牛顿(Newton,1642--1727)的时代那样,人们常把20世纪的上半叶看成是爱因斯坦(Einstein,1879-1955)的时代,因为他的相对论开创了物理学的新纪元,正因为爱因斯坦的相对论对物理学的影响非常深远,以至于一谈到爱因斯坦在物理学领域的贡献,人们首先想到的就是他的狭义相对论、广义相对论,而他对量子理论和量子力学的贡献却知之甚少,甚至,由于爱因斯坦始终反对量子力学的哥本哈根诠释而被误认为是量子理论发展中的一个顽固派,事实上,在爱因斯坦一生的科学工作中,量子力学始终是他关注的重要领域,他不仅对早期的量子论,而且对现行的量子力学理论的形成和完善都有过重要贡献。

2爱因斯坦对量子力学的贡献

2.1光量子理论

量子概念和量子假设起源于普朗克1900年对黑体辐射的础究,他在研究黑体辐射时,获得了一个与实验结果一致的纯粹的经验公式,1900年12月,他提出了量子论假说,普朗克的量子论虽然符合实验结果,但是在相当长的时间内不为人们所理解和重视,连普朗克本人对量子的假设也感到迷惑不解,甚至一再企图把这一概念纳入经典物理学体系,但是,就在这个时候,又发现了用经典理论无法解释的新现象——光电效应,把一块擦的很亮的锌板连接在验电器上,用弧光灯照射锌板(如图1),验电器的指针就张开了,这表示锌板带了电,进一步的检查表明锌板带的是正电,这实验表明在弧光灯的照射下,锌板中的一些自由电子从表面飞出来了,这种在光的照射下物体发射电子的现象,叫做光电效应,最初观察到光电效应的时候,物理学家们没有感到惊讶,但是,进一步的研究发现,对各种金属都存在极限频率和极限波长,如果入射光的频率比极限频率低,那么无论光多么强,照射时间多么长,都不会发生光电效应;而如果入射光的频率高于极限频率,即使光不强,当它射到金属表面时也会观察到光电效应,这一点无法用光的波动理论解释,还有一点与光的波动性相矛盾,这就是光电效应的瞬时性,按波动理论:如果入射光比较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累足够的能量,飞出金属表面,可是事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光电子的产生都几乎是瞬时的,不超过10-9s。

爱因斯坦则从实验事实出发重新考查了物理学的最基础的概念,抛弃了一些熟知的、但并不正确的观念,在理论上作出了根本性的突破,1905年,爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了《有关光的产生和转换的一个试探性观点》,这篇文章的主题思想就是认为经典物理学内部存在严重的不协调,从而第一次提出了光量子的概念,直接发展了普朗克的量子假说,爱因斯坦认为光的能量在传播、吸收及产生的过程中都具有量子性,并用光量子的概念成功的解释了光电效应,他在人类的历史上第一次揭示了光同时具有波动性和粒子性,在观念上远远超过了普朗克,光量子概念直接为以后德布罗意的物质波理论的建立,以及随后量子力学的建立开辟了道路,这项工作获得了1921年诺贝尔物理学奖,尽管爱因斯坦的论证清晰简明,但在当时他的光量子假设还是受到了广泛的质疑,人们认为光量子假设与光的波动理论完全相悖,当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的现象上时,这个理论的结果与经验相矛盾,甚至量子论的创始人普朗克也认为爱因斯坦的光量子理论走的太远,在推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士时说到:“爱因斯坦也会在思索中迷失方向,”密立根则试图从实验上否定光量子理论,但结论却相反,密立根不仅没有能否定爱因斯坦,反而给光量子理论提供了坚实的实验支持,并因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

2.2爱因斯坦对矩阵力学和测不准关系的影响

量子力学的重大突破是在1925~1926年间取得的,1925年海森堡关于量子力学的第一篇论文使量子力学在新的发展方向上迈出了正确的第一步,海森堡这位因建立量子力学而获得诺贝尔物理学奖的物理学大师,出身于德国的书香门第,少年时代逐步形成了追求简单、真实的性格,在当时原子物理的三大中心——哥本哈根、慕尼黑、哥廷根学习和工作过,受过多位名师的指点,他自己说:“在索末菲那里学了物理,在波恩那里学了数学,在玻尔那里学了哲学。”

据海森堡自己的回忆录《部分与整体》中所述,他的第一篇论文《关于运动和力学关系的量子论的解释》和著名的不确定关系的提出,都与爱因斯坦的思想启迪有关,1926年春天,海森堡应邀到柏林大学讲新量子力学时,爱因斯坦正在柏林大学工作,讲演后,爱因斯坦和海森堡进行了一次长谈,谈话中爱因斯坦对海森堡认为量子力学中“只有可观变量才应当进入物理理论”的思想提出质疑,他详细的阐明了自己的观点,他说:“一个人把实际观察到的东西放在心中,会启发性的帮助的也许能更加灵活的解释它,但在原则上试图单靠可观察量来建立理论,那是完全错误的,实际上恰恰相反,是理论决定我们能够观察到的东西,”这次谈话给海森堡留下了深刻的印象,1926年7月,海森堡和薛定谔在量子力学的解释问题上发生了争论,焦点集中在云室中电子径迹的解释上,矩阵力学中没有轨道的概念,为了让大家接受他们的理论,海森堡和波尔一起寻求具有说服力的量子力学的解释,海森堡坚信,只能从这种力学本身对云室中的电子径迹作出数学表述,但这样做在数学上陷入了困境,在困境中他又想起了上次和爱因斯坦的谈话,他突然感觉到,也许找电子轨迹这个问题的提法就不对,在云室中看到的电子径迹是那么粗大,实际上电子本身并没有那么大,因此,正确的提法是一个电子只能以一定的不确定性处在给定的位置,而有以一定的不确定性具有给定的速度,可以把这种不确定性弄的最小,以便不和实验产生矛盾,测不准关系的基本思路就这样形成了。

2.3爱因斯坦对波动力学的促进

波动力学既是沿着物理学家L·德布罗意于1923年新开创的径迹发展到最高潮的产物,又是按爱因斯坦的纲领解决量子问题的一个巨大成就,首先,在起源上,薛定谔的理论是受L·德布罗意理论和爱因斯坦那“简短却无限深刻”的评论的启发所为,在方法上,他使用的是爱因斯坦所主张的传统的时空连续描述和微分方程,并保持了因果性和守恒性。

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范文五:爱因斯坦的科学贡献及其哲学意义

第14卷第3期

(www.wenku1.com)

2005年7月

云南民族大学学报(自然科学版)

JournalofYunnanNationalitiesUniversity(NaturalSciencesEdition)Vo.l14,No.3Ju.l2005

爱因斯坦的科学贡献及其哲学意义

祁映宏

(北京科技大学科学技术与文明研究中心,中国北京100083)

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摘(www.wenku1.com)要(www.wenku1.com)对爱因斯坦的生平,特别是爱因斯坦在瑞士伯尔尼专利局期间的情况进行分析,总结出至少有三个原因使爱因斯坦能在科学探索过程中取得丰硕的成果.其次重点对爱因斯坦科学成就、科学方法等方面进行回顾和综述,评述相对论及其哲学意义,指出相对论对于物理学的发展和现代人类思维逻辑方式都产生了重大而深远的影响.

关键词(www.wenku1.com)爱因斯坦;科学成就;科学方法;哲学意义;周年【中图分类号】N09

【文献标识码】A

【文章编号】1672(www.wenku1.com)8513(2005)03-0203-04

Einstein(www.wenku1.com)sContributioninScienceanditsPhilosophicalSignification

QIYing(www.wenku1.com)hong

(ResearchCenterforScience-TechnologyandCivilization,UniversityofScienceand

TechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Abstract:Firstly,webrieflyintroduceEinstein(www.wenku1.com)slife,especiallyhisyearsintheSwissPatentOfficeatBerne,anddrawatleastthreefactorsaccountingforEinstein(www.wenku1.com)sgreatachievementsinscience.Second,reviewand

summarizehisscientificaccomplishmentandmethods,appraisethetheoryofRelativityanditsphilosophicsignifi(www.wenku1.com)cance,.ie.,itsimportantandfar-reachinginfluencetotheprogressofmodernphysicsaswellasthemethodsofhumanlogicalthough.t

Keywords:Einstein;accomplishments;method;philosophicalsignificance;anniversary

1(www.wenku1.com)爱因斯坦生平简介

1879年3月14日,爱因斯坦生于德国乌尔姆一个犹太人家庭.小时候的爱因斯坦并没有表现出过人的天赋,一直到3岁才开始说话.(www.wenku1.com)他是个爱幻

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想的孩子,不喜欢运动和游戏,讲话很吃力.(www.wenku1.com)童年是人生的重要阶段,思想和许多品质在这个时期萌发、形成.爱因斯坦的家庭气氛是比较开明和自由

[2]

的,他童年就受到了科学和哲学的启蒙训练.12岁时爱因斯坦对几何学非常痴迷,几乎到了爱不释手的地步,并很快读完了几何课本,并想办法用自己的方法证明定理.特别是爱因斯坦对书里的定理证明的清晰性、严谨性和可靠性产生了浓厚的兴趣,直接播下了科学研究的种子,决定了他一生科学思想的基本方向.由于阅读伯恩斯坦的《自然科学通俗读本》等相关科学著作,爱因斯坦慢慢开始反省宗

教的一些问题,怀疑《圣经》告诉给人们的说法,清

理自己在童年时的宗教信仰,逐步形成了科学的世界观和人生观.他13岁时,曾经拜读康德的《纯粹理性批判》,这一读书经历有助爱因斯坦思考宇宙、哲学和自然现象中的逻辑问题.爱因斯坦还在15岁时开始(www.wenku1.com)追光(www.wenku1.com)设想,把自己想象成一个追赶光线的人,这一奇思妙想对以后爱因斯坦提出狭义相对论已经产生了重大而深远的影响.15岁时,由于对学校的娱乐活动十分冷漠,再加上对德国当时兵役制度的反感,自己开出不适合兵役证明.他为自己准备了(www.wenku1.com)因神经系统状况不佳(www.wenku1.com)休学证明,学校则以其自由主义思想令其退学,这样在毕业前一年他离开了学校.他在辗转意大利和瑞士的高校入学考试中曾因外语、生物等课的成绩不佳而落榜.

1896年,爱因斯坦进入苏黎世联邦工业大学学习.从1896年10月到1900年8月,一直在该校物

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收稿日期:2004-12-16

作者简介:祁映宏(1962~)男(汉族),甘肃静宁人,副教授,博士研究生,主要从事物理学史、冶金史和矿业史研究.

云南民族大学学报(自然科学版)(www.wenku1.com)第14卷

理和数学系学习。由于爱因斯坦熟悉讲授的内容,他很少去听物理学和数学的主要课程,而把注意力用在攻读麦克斯韦、基尔霍夫、玻尔茨曼和赫兹的著作上.四年的大学生活,爱因斯坦形成了自己的世界观,探讨了哲学认识论,掌握了批判的武器,学习了许多物理大师的著作,对当时的物理学重大问题有着清醒的认识和强烈的兴趣,并努力钻研了电动力学、液体分子运动论等物理学前沿领域,为以后的科学探索活动打下了坚实的基础.

1902年6月,爱因斯坦在瑞士伯尔尼专利局获得了三级技术鉴定员的工作.这是他一生中最灿烂辉煌的时期,于1905年创造了科学奇迹.在伯尔尼时至少有三个原因使爱因斯坦能在科学探索过程中取得丰硕的成果.第一,虽然伯尔尼远离学术中心,但安宁自由的生活和研究环境,使爱因斯坦在这里从事没有先例的创造性的工作.第二,爱因斯坦在专利局的工作对他的划时代的科学研究工作有很大的促进使用.他曾说过:(www.wenku1.com)鉴定专利权的工作,对于我来说是一件幸事.它迫使你从物理学上多方面思考,以便为鉴定提供依据.(www.wenku1.com)第三,爱因斯坦的工作还得益于和(www.wenku1.com)奥林匹亚科学院(www.wenku1.com)其他成员的交流和讨论,尤其得益于好友贝索的意见.爱因斯坦曾说过,在全欧洲也找不到比贝索更好的(www.wenku1.com)新思想的共振器了(www.wenku1.com).爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文结尾中写道:(www.wenku1.com)最后,我要声明,在研究这些所讨论的问题时,我曾得到我的朋友和同事贝索的热诚帮助,要感谢他一些有价值的建议.(www.wenku1.com)此外,实践性的职业对于像我这样的人来说简直是一种拯救:因为学院式的环境迫使青年人不断提供科学作品,只有坚定的性格才能在这种情况下不流于浅薄.(www.wenku1.com)

[2]

[2]

2(www.wenku1.com)科学贡献

爱因斯坦是从业余研究而开始其科学生涯的.他在物理学领域的重要研究成果是令人不可思议的,不仅改变了自然科学研究的(www.wenku1.com)范式(www.wenku1.com)(paradigm),而且使人类认识自然的科学方法得到不少充实.1905年,26岁的爱因斯坦从小开始积聚的科学能量像火山爆发般地喷射了出来,震撼了科学界.他利用业余时间撰写的6篇论文,在以下四个方面取得了划时代的成就,奠定了他作为20世纪科学巨匠的地位.2(www.wenku1.com)1(www.wenku1.com)光量子理论

1905年3月,爱因斯坦在德国莱比锡的《物理学杂志》上发表了《关于光的产生和转化的一个启发性观点》,在这篇论文中,他把普朗克教授于1900年提出的量子概念推广到了光辐射的发射和吸收上,建立了光的量子理论,这一理论在科学史上第一次将光的粒子性和波动性通过数学表达式联系在一起,即E=h(www.wenku1.com).将光的粒子性和波动性统一起来,成功地解释了困惑人们已久的、经典物理学无法解释的(www.wenku1.com)光电效应(www.wenku1.com),并因此而荣获了1921年的诺贝尔物理学奖.

2(www.wenku1.com)2(www.wenku1.com)布朗运动的理论研究

爱因斯坦对分子物理研究的重要的成就,是在1905年完成的两篇文章,一是向苏黎世大学提交的博士论文(www.wenku1.com)分子大小的新测定法(www.wenku1.com),二是发表在莱比锡《物理学杂志》上的论文(www.wenku1.com)热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动(www.wenku1.com),其重要意义在于成功地解释了布朗运动,使原子论取得了最后胜利.这一理论使人们认识到热是一种能量,它是由分子无规则运动引起的.分子是客观存在的,并不是一种为了便于研究所做的假设.所以,爱因斯坦的研究取得了原子论的最后胜利,使得像奥斯特瓦尔和马赫这样的极端的反原子论者,也不得不从此以后(www.wenku1.com)改信原子学说(www.wenku1.com)了.3年后,佩兰据此做出实验测定,证实了爱因斯坦的理论预测.2(www.wenku1.com)3(www.wenku1.com)狭义相对论

1905年6月,爱因斯坦在《物理学杂志》上发表了长达30多页的论文《论运动物体的电动力学》中,完整地提出了狭义相对论.即:①相对性原理:物理学定律在所有惯性系中的描述形式是相同的,即所有的惯性系是等价的,不存在特殊的惯性系.②光速不变原理:在所有惯性系内,真空中的光速具有相同的定值.狭义相对论是爱因斯坦总结了他青年时代多年的探索结果,以完整的形式提出了等速运动

[3]

爱因斯坦1905年获苏黎世大学博士学位;1909年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授;1911年任布拉格德语大学理论物理学教授;1912年任苏黎世联邦工业大学教授;1914-1933年任德国威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授;1920年兼任荷兰莱顿大学特邀教授.第一次世界大战中,他参加了反战活动.1933年希特勒执政后,爱因斯坦受到迫害,被迫离开德国,辗转到美国任普林斯顿高级研究院教授.1940年加入美国国籍.1939年他上书罗斯福总统,建议研制原子弹,以防德国占先.当得知美国在日本投掷原子弹,他对此强烈不满.战后,他为开展反对核战争的和平运动和反对美国国内法西斯主义的抬头,进行了不懈的斗争.1955年4月18日因病在普林斯顿逝世.

第3期(www.wenku1.com)祁映宏:爱因斯坦的科学贡献及其哲学意义

下的相对性理论,提出了四维时空(三维空间和一维时间)的新概念,引起了物理学理论基础的变革,具有开创科学新时代的意义.作为相对论的一个推论,他又提出了质(m)能(E)相当关系式E=mc,在理论上为原子能的应用开辟了道路.

2(www.wenku1.com)4(www.wenku1.com)广义相对论和引力场方程

爱因斯坦在建立了狭义相对论后,发现狭义相对论还有着根本性缺陷,开始思考为什么只有惯性系有特殊的地位,惯性系究竟是什么?爱因斯坦提出了作为广义相对论的两个基本假设:①广义相对性原理;②等效原理.这一理论是自然科学和数学结合的完美典范.1907年,爱因斯坦提出有必要把相对性理论从等速运动推广到加速运动,其基础就是惯性质量同引力质量的相当性.从1912年开始,他与格罗斯曼(M.Grossmann)合作,用张量分析和曲面几何作为数学工具,提出了《广义相对论纲要和引力理论》(1913年),最后于1915年发表《关于广义相对论》和《引力的场方程》,提出了广义相对论引力场方程的完整形式,建立了广义相对论.水星近日点运动、光线在引力场中的偏移、强引力场中的(www.wenku1.com)慢钟(www.wenku1.com)效应都证明了广义相对论的理论预言.随后,爱因斯坦用广义相对论的结果来研究整个宇宙的时空结构.1917年发表的论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》,以科学论据推论宇宙在空间上是有限无界的,这是宇宙观的一次革命.1924年与印度物理学家玻色提出单原子气体的量子统计理论,即玻色-爱因斯坦统计.1925年至1955年间,爱因斯坦几乎全力以赴地去探索统一场论.他力图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,即寻求一种统一场理论,遗憾的是他始终没有成功.从70年代开始,科学家继续爱因斯坦的工作,统一场论的思想以新的形式重新显示出生命力,取得了长足的进展.

2

突破,这已被历史反复证明.从亚里士多得到近代科学的奠基者伽利略和牛顿,最后到现代科学巨匠爱因斯坦.在某种意义上讲,科学的发展史实际就是科学方法不断创新的历史.

爱因斯坦的科学方法主要表现在两个方面.第一,准确地把握物理概念和经验的关系.现代物理学不可能从日常生活经验中得来,必须通过自由想象创造出来.我们知道,伽利略和牛顿时代科学的发展主要是从经验的资料中利用数学方法来归纳和演绎科学定律.爱因斯坦明确指出:(www.wenku1.com)适用于科学幼年时代的归纳法为主的方法,正在让位于探索性的演绎法.(www.wenku1.com)之所以如此,主要原因是当今物理理论离开我们熟悉的宏观世界越来越远,在这些领域里想要像经典物理那样,靠经验来归纳出理论,已经越来越不可能.尤其是在微观领域里,经验资料本身都与测量的手段、环境、方法有关,在这种情形下,如果不是全部,至少绝大部分的理论物理工作者,用归纳法是行不通的.正是基于这种思考,爱因斯坦提出了他的概念方法论,也就是他在创建相对论时所持的唯理论思想.第二,深刻理解数学和物理的关系.众所周知,近代自然科学之所以如此深入人心,给人类带来巨大的物质文明和精神文明进步,在很大程度上就是数学在科学认识中的绝对地位所决定的.自从古希腊的毕达哥拉斯学派强调事物之间的数量关系,提出以(www.wenku1.com)数(www.wenku1.com)为万物始基的宇宙观,世界即数和数的关系构成的和谐关系以来,物理学家对数学在物理学中起的作用,几乎保持类似宗教般的信仰.许多伟大的物理学家如哥白尼、开普勒、麦克斯韦,都是在寻求简单和谐中创建了伟大的科学理论.而且,物理学越发展就越是数学化,数学成了物理学的收敛中心.杨振宁在谈及20世纪的物理学和数学的关系时指出:(www.wenku1.com)理论物理学的正确方法,应当符合数学里的传统.(www.wenku1.com) 可以用两片生长在一根茎上的叶子来形象化的说明数学和物理学之间的关系.数学与物理

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学是同命相连的,它们的生命线交接在一起.(www.wenku1.com)如图1所示.

爱因斯坦之所以取得如此非凡的科学成就,是与他坚持自然科学的唯物主义思想,坚信世界和谐统一和物理学理论的统一性有一定关系.爱因斯坦由于在早年深受几何学的影响,把公理化方法作为构建科学理论体系的基本方法,在建立狭义相对论和广义相对论体系时就采用公理化的手段.毫不夸张地说,爱因斯坦的科学思想、科学方法和科学成就是人类的宝贵财富,他将永远给我们以深刻的启迪.

3(www.wenku1.com)科学研究的方法

科学方法论是关于方法的理论,本质上是一个哲学问题或命题.随着人类对自然奥秘的不断探索,随着科学知识和科学理论的不断丰富,方法也就伴

随着科学探索逐渐形成.科学方法离不开科学探索,探索自然之谜也靠一定的科学方法,在某种意义上说,科学方法比起具体的科学知识还显得重要.所以,方法一旦形成,又具有远远超出某种科学范畴的普遍意义,成为可以广泛应用的重要工具.对科学有重大革命性贡献的科学家,一定是有方法论的重大

云南民族大学学报(自然科学版)(www.wenku1.com)第14卷

正如著名的物理学家朗之万对爱因斯坦的评价:现在是,并且将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一

[

3]

颗巨星.

富的方法论思想,而相对论本身所具有的哲学意义更具有方法论和认识论的意义.

从相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理.相对论的重大意义在于引出了物理学的新思想和哲学观念的变革,相对论的核心思想就是空间和时间的相对性和统一性.相对论的时空观,从根本上否定了绝对的时空观,使从牛顿时代以来形成的绝对时空观失去了统治地位.从此,建立了统一的、相对的时空概念;再加上广义相对论否定了空虚空间的概

图1(www.wenku1.com)数学和物理的交迭

念,认为时空依赖场而存在,建立的是关于场的时空理论,给出了科学而系统的时空观和物质观.相对论理论是在大量科学经验的基础上发展而来的,相对论的时空观,可以说是哲学思想上的一种升华.相对论的重大预言被后来一系列的实验事实所检验证明,进一步说明了实践是检验真理的唯一标准,哲学是这样,物理学也是这样.

相对论具有的哲学意义在于揭示了时间、空间、物质及其运动之间的内在联系,丰富并深化了时空是物质存在形式的原理.

综观爱因斯坦一生的学习和科学研究历程,我们同样也会发现,独立思考和自学伴随着他的全部

人生历程.例如,1902年,爱因斯坦曾经和几个同学一起发起成立学习小组,并且把这个学习小组称为(www.wenku1.com)奥林匹亚科学院(www.wenku1.com).聚会的话题涉及斯宾诺莎的《伦理学》、休谟的《人性论》、马赫的《力学史》、黎曼的《几何学基础》等,都是他们讨论的内容.从爱因斯坦的求学经历可以看到,如果没有家庭气氛的开明和自由,童年的他就受不到科学和哲学的启蒙训;没有和(www.wenku1.com)奥林匹亚科学院(www.wenku1.com)其他成员的交流和讨论,特别是和好友贝索的民主与自由的交流,很难设想爱因斯坦在1905年会爆发出巨大的科学能量,成为科学的巨匠.

5(www.wenku1.com)结束语

100年前,爱因斯坦发表了伟大的相对论理论,它和量子力学一起,构成了现代物理学以及当代高技术的基础.爱因斯坦被美国《时代》杂志评为(www.wenku1.com)世纪人物(www.wenku1.com).该杂志解释爱因斯坦当选的理由是:这个世界在过去100年内发生的变化,比任何一个世纪都要大.原因首先不是来自政治或者经济,而是技术.他提出的有关空间、时间和物质的理论帮助揭开了原子和宇宙的秘密.爱因斯坦是人类思想史、也是整个人类历史上一颗明亮的巨星,他辉煌的科学成就、深邃的哲学思想和高尚的道德情操,是人类宝贵的精神财富.他的科学成就不仅推动了20世纪的科学革命,并对改变人类的物质生活和精神生活产生了深远的影响.

谨以此文纪念相对论发表100周年.

4(www.wenku1.com)哲学意义

空间和时间的相对性和统一性,是狭义相对论的核心思想.在牛顿的绝对时空观里,空间和时间不仅具有绝对的意义,而且它们还是相互独立和互不相干.但是,爱因斯坦创立的狭义相对论则从数学关系上精确地揭示了空间和时间在本质上的统一性,所谓孤立的空间和孤立的时间在自然界是根本不存在的.相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系.爱因斯坦创立相对论的过程给我们带来丰参考文献:

[1](www.wenku1.com)[2](www.wenku1.com)

[美]J.伯恩斯坦.阿尔伯特(www.wenku1.com)爱因斯坦[M].高耘田译.北京:科学出版社,1980.11.[苏联]库兹涅佐夫.爱因斯坦传[M].北京:商务印书馆,1992.22,25,36,41.

[3](www.wenku1.com)颜振珏.物理学史新编[M].贵阳:贵州科技出版社,2002.150;164.[4](www.wenku1.com)杨仲耆,申先甲.物理学思想史[M].长沙:湖南教育出版社,1993.560.

[5](www.wenku1.com)杨振宁.爱因斯坦和二十世纪后半期物理学[J].物理教学,1980,5(1):164-168.[6](www.wenku1.com)

李寿

.才华横溢的理论物理学家束星北教授[J].自然辩证法通讯,1994(6):61-70.

(责任编辑(www.wenku1.com)高(www.wenku1.com)飞)

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范文六:爱因斯坦的成就及对物理界贡献

牛顿对物理学的贡献

摘要:牛顿是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的科学家,同时也是物理学家、数学家和哲学家。他在1687年7月5日发表的不朽著作《自然哲学的数学原理》里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则——万有引力定律和三大运动定律。这四条定律构成了一个统一的体系,被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”,由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点,并成为现代工程学的基础。

关键词:个人简介 经典力学 天文学 光学

一、个人简介:牛顿(1642年12月25日~1727年3月31日)爵士,英国皇家学会会员,是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。著有《自然哲学的数学原理》、《光学》、《二项定理》和《微积分》。 他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里,对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点,并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性,展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律;从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑,并推动了科学革命。在力学上,牛顿阐明了动量角动量守恒之原理。在光学上,他发明了反射式望远镜,并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察,发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律,并研究了音速。在数学上,牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理,提出了“牛顿法”以趋近函数的零点,并为幂级数的研究作出了贡献。在2005年,英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查,牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更具影响力。

二.牛顿对力学的贡献

牛顿是经典力学理论的开创者。他在伽利略等人工作的基础上,进行了深入研究,经过大量的实验,总结出了运动三定律,创立了经典力学体系。牛顿所研究的机械运动规律,首先是建立在绝对时空观基础之上的。绝对化的时间和绝对化的空间是指不受物体运动状态影响的时间和空间。在两个匀速运动状态下的观察者,对机械运动具有相同的测量结果。在高速运动状态下,这种时空观已不能

采用,这时(运动速度与光速可以比拟),牛顿力学将被相对论力学所代替。在微观情况下,由于粒子的波动性已明显表现出来,牛顿力学将被量子力学所代替。牛顿在力学方面另一巨大贡献是在开普勒等人工作的基础上,发现了万有引力定律。牛顿认为:太阳吸引行星,行星吸引卫星,以及吸引地面上一切物体的力都是具有相同性质的力。牛顿用微积分证明了,任何一曲线运动的质点,如果半径指向静止或匀速直线运动的点,且绕次点扫过与时间成正比的面积,则此质点必受指向该点的向心力的作用,如果环绕的周期之平方与半径的立方成正比,则向心力与半径的平方成反比。牛顿还在力学发展中,首先确定了一系列的基本概念,如质量、动量、惯性和力等。经过牛顿的工作,力学已形成了严密、完整、系统的科学体系。牛顿是经典力学理论的开创者。他在伽利略等人工作的基础上,进行了深入研究,经过大量的实验,总结出了运动三定律,创立了经典力学体系。牛顿所研究的机械运动规律,首先是建立在绝对时空观基础之上的。绝对化的时间和绝对化的空间是指不受物体运动状态影响的时间和空间。在两个匀速运动状态下的观察者,对机械运动具有相同的测量结果。在高速运动状态下,这种时空观已不能采用,这时(运动速度与光速可以比拟),牛顿力学将被相对论力学所代替。在微观情况下,由于粒子的波动性已明显表现出来,牛顿力学将被量子力学所代替。牛顿在力学方面另一巨大贡献是在开普勒等人工作的基础上,发现了万有引力定律。牛顿认为:太阳吸引行星,行星吸引卫星,以及吸引地面上一切物体的力都是具有相同性质的力。牛顿用微积分证明了,任何一曲线运动的质点,如果半径指向静止或匀速直线运动的点,且绕次点扫过与时间成正比的面积,则此质点必受指向该点的向心力的作用,如果环绕的周期之平方与半径的立方成正比,则向心力与半径的平方成反比。牛顿还在力学发展中,首先确定了一系列的基本概念,如质量、动量、惯性和力等。经过牛顿的工作,力学已形成了严密、完整、系统的科学体系。

牛顿经典力学体系的建立开辟了科学发展的一个新天地、新时代。经典力学的广泛传播和运用对人们的生活和思想产生了重大影响,在一定程度上推动了人类社会的发展进步。但经典力学存在的固有缺点和局限性也在一定程度上阻碍了人类社会的进步,产生了消极作用。本文将以经典力学的建立背景为起点,进一步用辩证的方法分析经典力学在人类历史与现实中发挥的作用与产生的不良影响。

17世纪的欧洲,经过许多科学家的努力,在天文学和力学方面积累了丰富资料的基础上,英国科学家牛顿实现了天上力学和地上力学的综合,形成了统一的力学体系——经典力学。经典力学体系的建立,是人类认识自然及历史的第一次大飞跃和理论的大综合,它开辟了一个新的时代,并对科学发展的进程以及人类生产生活和思维方式产生及其深刻的影响。牛顿经典力学的建立是科学形态上的重要变革,标志着近代理论自然科学的诞生,并成为其他各门自然科学的典范。

三.牛顿对天文学的贡献

在天文学方面,牛顿可以称为近代伟大天文学家。他的杰出贡献是制作了反射式望远镜,反射式望远镜的制造成功,是天文学史上的一项重大革新。自伽利略发明第一架天文望远镜以来,人们对于宇宙的认识范围迅速扩展,但是当时流行的伽利略、开普勒等人发明和制造的折射望远镜,口径有限,制造大型望远镜不但困难,而且太庞大,同时折射望远镜的折射色差和球差都很大,这些大大限制了天文观测的范围。牛顿由于了解了白光的组成,因而于1668年设计制成了第一架反射式望远镜。这种望远镜能反射较广光谱范围的光而无色差,容易获得较大的口径,同时对球差也有校正。这样牛顿为现代大型天文望远镜的制造奠定了基础。

牛顿在天文学上的另一重要贡献是对行星的运动规律进行了全面考察,特别是对开普勒等人的学说进行过系统的研究。1686年他在给哈雷的信中说明了天体可以按照质点处理并证明了开普勒的行星运动的椭圆形轨道以及彗星的抛物线轨道。牛顿还进一步发展了自己的理论,认为行星都由于自转而使两极扁平赤道突出,还预言地球也是这样的球体。由于地球不是正球体,牛顿就指出,太阳和月球的引力摄动将不会通过地球中心,因此地轴将作一缓慢的圆锥运动,这便出现了二分点的岁差现象。对于潮汐现象,牛顿也作出了解释,他认为这是太阳和月球引力造成的。

四.牛顿对光学的贡献

在牛顿以前,墨子、培根、达·芬奇等人都研究过光学现象。反射定律是人们很早就认识的光学定律之一。近代科学兴起的时候,伽利略靠望远镜发现了“新宇宙”,震惊了世界。荷兰数学家斯涅尔首先发现了光的折射定律。笛卡尔提出了光的微粒说„„ 牛顿以及跟他差不多同时代的胡克、惠更斯等人,也象伽利略、笛卡尔等前辈一样,用极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年,牛顿在家休假期间,得到了三棱镜,他用来进行了著名的色散试验。一束太阳光通过三棱镜后,分解成几种颜色的光谱带,牛顿再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住,只让一种颜色的光在通过第二个三棱镜,结果出来的只是同样颜色的光。这样,他就发现了白光是由各种不同颜色的光组成的,这是第一大贡献。牛顿为了验证这个发现,设法把几种不同的单色光合成白光,并且计算出不同颜色光的折射率,精确地说明了色散现象。揭开了物质的颜色之谜,原来物质的色彩是不

同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年,牛顿把自己的研究成果发表在《皇家学会哲学杂志》上,这是他第一次公开发表的论文。 许多人研究光学是为了改进折射望远镜。牛顿由于发现了白光的组成,认为折射望远镜透镜的色散现象是无法消除的(后来有人用具有不同折射率的玻璃组成的透镜消除了色散现象),就设计和制造了反射望远镜。牛顿不但擅长数学计算,而且能够自己动手制造各种试验设备并且作精细实验。为了制造望远镜,他自己设计了研磨抛光机,实验各种研磨材料。公元1668年,他制成了第一架反射望远镜样机,这是第二大贡献。公元1671年,牛顿把经过改进得反射望远镜献给了皇家学会,牛顿名声大震,并被选为皇家学会会员。反射望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。同时,牛顿还进行了大量的观察实验和数学计算,比如研究惠更斯发现的冰川石的异常折射现象,胡克发现的肥皂泡的色彩现象,“牛顿环”的光学现象等等。 牛顿还提出了光的“微粒说”,认为光是由微粒形成的,并且走的是最快速的直线运动路径。他的“微粒说”与后来惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。此外,他还制作了牛顿色盘等多种光学仪器。

牛顿对人类的贡献是巨大的。然而牛顿却能清醒地评价自己的一生。他对自己所以能在科学上有突出的成就以及这些成就的历史地位有清醒的认识。他曾说过:“如果说我比多数人看得远一些的话,那是因为我站在巨人们的肩上。”在临终时,他还留下了这样的遗言:“我不知道世人将如何看我,但是,就我自己看来,我好像不过是一个在海滨玩耍的小孩,不时地为找到一个比通常更光滑的卵石或更好看的贝壳而感到高兴,但是,有待探索的真理的海洋正展现在我的面前。”

参考文献:

【1】 廖克 《科技发展的历史借鉴与成功的启示》 科学出版社 1998

【2】 赵红州《科学能力学引论》 科学出版社 1985

【3】 吴国盛 《科学的历程》 湖南科学技术出版社 1996

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范文七:爱因斯坦对量子理论的贡献

爱因斯坦对量子理论的贡献

--量子百年纪念文章

高山

在纪念量子百年“诞辰”的这一时刻,我们有理由回顾一下它的发现者们艰辛探 索的历程,这不仅是对他们的一种充满深深敬意和感谢的缅怀,同时也可以使我 们从中获得进一步探索的勇气和力量。本文我们将简要介绍爱因斯坦对量子理论 的贡献。

1901年 发表第一篇科学文章,关于毛细现象

1905年 光量子假说

1906年 固体比热理论,指出普朗克量子假说的真实物理含义

1909年 光的波粒二象性思想

1916年 普朗克公式的重新推导,受激辐射理论

1924年 玻色-爱因斯坦统计

1925年 对德布罗意物质波思想的支持,促使薛定谔建立波动力学

1926年 开始探索通过统一场论来表述完备的量子理论

1927年 最早注意到量子力学与相对论的不相容性,开始反对玻尔等人的哥本哈 根解释

1935年 发表EPR文章,利用定域性假设论证量子力学的不完备性

1952年 反对玻姆的隐变量理论

爱因斯坦无疑是当代人最熟悉的科学家的名字,他几乎成了科学家的神圣象征。 最近,英国《物理世界》杂志评选出有史以来10位最杰出的物理学家,其中名列 榜首的就是爱因斯坦。然而,尽管大多数人都知道爱因斯坦创立了相对论,但却 并不了解他也曾经对量子理论做过同样,甚至更大的贡献。本文我们将主要介绍 爱因斯坦对量子理论的贡献。

量子的真正发现者

1900年,普朗克在对黑体辐射的研究中第一个猜测到量子的存在。这一年的12月 14日,普朗克在德国物理学会会议上提出了能量量子化假说,根据这一假说,在 光波的发射和吸收过程中,发射体和吸收体的能量变化是不连续的,能量值只能 取某个最小能量元的整数倍。然而,在普朗克的分析中,他只是将能量量子化作 为一种方便的计算手段,而并没有赋予它真实的物理意义,更没有意识到能量量 子化与经典力学及经典电动力学基础的根本背离。

在能量量子化假说提出之后,普朗克本人一直试图利用经典的连续概念来解 释辐射能量的不连续性。此时,是爱因斯坦最早认识到普朗克量子假说的非经典 特征,即能量的量子化假设与麦克斯韦电磁场理论是不相容的,并将这一假说大 胆地应用到物理学的其他领域中,如光电效应(1905),固体比热(1906),光 化学现象(1912),理想气体的玻色-爱因斯坦统计(1924)等。为此,科学史家 库恩甚至将爱因斯坦,而不是普朗克称为量子的发现者。

此外,爱因斯坦第一个指出了普朗克推导中的逻辑不一致性(1906),即同

时应用能量的量子化假设和麦克斯韦的电磁场理论,并重新给出了普朗克辐射公 式的纯量子推导,在这一推导中,他只利用了光量子假设和玻尔的定态跃迁假设 (1916)。

光量子

1905年,年青的爱因斯坦不仅意识到普朗克量子假说的革命性意义,而且还进一 步发展了普朗克的能量子概念。这一年,爱因斯坦大胆地提出了光量子假说。爱 因斯坦认为,能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义,光波本身就是 由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成的。进一步地,利用普朗克的能 量量子化公式,爱因斯坦还给出了光子的能量和动量表达式,即E=hv及P=hσ, 式中h是普朗克恒量,v和σ依次是单位时间内的振动次数和单位长度上的波数。 利用这一光量子假说,爱因斯坦成功地解释了经典电磁场理论无法解释的光电效 应等实验现象。

光量子假说是一个如此反传统的假说,以至于在爱因斯坦提出之后几乎没有人相 信它,量子理论的另两位奠基人普朗克和玻尔都拒绝接受光量子概念。1915年, 美国物理学家密立根在实验上证明了爱因斯坦对于光电效应的解释是正确的,但 他本人并不相信光量子的存在。直到1922年,康普顿效应的发现才最终令人信服 地证实了光量子的真实存在,并使光量子概念开始为人们所接受。1926年,美国 化学家刘易斯将光量子命名为光子(photon)。

爱因斯坦由于对光电效应的解释而获得了1921年的诺贝尔奖,他晚年认为光量子 概念是他一生中所发现的最具革命性的思想。

物质的波粒二象性

爱因斯坦不仅最早将粒子特性赋予光波(1905),而且还最早将波特性赋予了理 想气体分子(1924),可以说,是爱因斯坦最早注意到了物质的波粒二象性。由 于波粒二象性被证明是自然界中一切物质运动的最基本的量子特性,因此爱因斯 坦的这一发现甚至比他的相对论更为重要。1909年,爱因斯坦严格证明了辐射, 即光子具有波粒二象性,并指出了已被实验验证的普朗克辐射公式同时包含了辐 射的这两种对立的属性。

光的波粒二象性的发现也许是爱因斯坦对量子理论所做出的最大贡献,它首次揭 示了光的量子特性,即光不仅具有波动性,同时也具有粒子性。正是光的波粒二 象性概念进一步引导德布罗意提出物质波假说(1923),将光子的波粒二象性赋 予了所有物质粒子,并最终促使薛定谔建立了量子理论的波动力学形式(1926)。 量子力学与相对论的不相容性

1925-1926年间,量子力学大厦在物理学家们的共同努力下终于落成,然而作为 主要奠基者的爱因斯坦并不满意这个理论体系。在对量子力学的批判性的分析中, 爱因斯坦最早注意到了量子力学与相对论的不相容性。

1927年,爱因斯坦参加了在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会议,他在这次会议上 第一次公开对量子力学发表意见。爱因斯坦在会后讨论的发言中指出,如果量子 力学是描述单次微观实在过程的理论,则量子力学与相对性原理不相容。爱因斯 坦的这一分析是关于量子力学与相对论的不相容性的最早认识。

1935年,爱因斯坦在论证量子力学不完备性的EPR文章中,再一次揭示了量子力

学的完备性同相对论的定域性假设之间存在矛盾。EPR文章促使人们对定域性假 设的有效性进行了更加深入的研究,这些研究大大加深了人们对量子非定域性的 认识。

爱因斯坦一生都坚持定域性假设,并坚信量子力学是不完备的,在爱因斯坦看来, 量子力学由于违反相对论而必然是错误的,至少是不完备的。

量子力学需要完善

在量子力学建立之后,爱因斯坦的贡献主要在于指出了这一理论的不完备性,并 督促人们去发现更完备的量子理论。同时,爱因斯坦本人一直试图在新的基础上 重建完备的量子理论,他选择了统一场论方向,并认为场论最终可以提供一个完 备的量子理论。

爱因斯坦一生都坚持实在论,而反对具有实证论倾向的量子力学的哥本哈根 解释。爱因斯坦对哥本哈根解释提出了很多反对意见,而玻尔等人正是通过分析 这些反对意见才进一步完善了他们对量子力学的正统解释。因此,爱因斯坦在很 大程度上促进了量子力学解释的不断清晰和完善,同时,爱因斯坦对量子力学哥 本哈根解释的批判也一直在激励人们去发展更为完善的量子理论。这一贡献的影 响是最为深远的,因为爱因斯坦所关心的量子问题至今依然存在,量子力学仍然 没有被真正理解,量子力学与相对论的不相容问题也仍然没有得到解决。

爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论,于1915年建立了广义相对论,然而,他一 生的大部分时间都在思索量子的神秘本质,并试图建立一种更完备的量子理论。 爱因斯坦晚年承认,“整整50年有意识的思考仍没有使我更接近‘光量子是什么’ 这个问题的答案”。今天,人们更没有理由骄傲自满,我们必须完成爱因斯坦未 竟的科学事业,而在这一探索旅程中,他的探索精神和深邃思想仍将一直激励并 指引我们前进。

(本文的部分内容选自作者最近出版的《量子运动与超光速通信》一书) ————————————————

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范文八:爱因斯坦对量子力学的贡献_张小安

2005年8月第

咸阳师范学院学报

爱因斯坦对量子力学的贡献

张小安!&#

+’咸阳师范学院物理系$陕西咸阳(’

摘要!相对论和量子力学是现代物理学的两大基础科学&然而在量子力学的发展史上却

极少提到爱因斯坦的工作’本为依据历史资料&分析了爱因斯坦对现行量子力学理论的形成和完善都有着极为重要贡献&并讨论形成人们片面认识的原因’

关键词!爱因斯坦(量子力学(贡献

中图分类号!L&:#9文献标识码!7

!!!!!!正像历史学家认为’(世纪下半叶是牛顿

的时代%因为他的相对论开创了物理学的新纪元$他对量子论和量子力学的贡献$几乎涵盖了整个

文章编号!!+$#,#*!%%#

说%他认为物体发出辐射时所放出的能量不是连续的$而是量子化的%然而$大多数人$包括普朗克本人在内$都不敢把能量不连续概念再向前推进一步$甚至一再企图把这一概念纳入经典物理学体系%爱困斯坦的态度则截然不同$他预感到量子论带来的$不是小的修正$而是整个物理学的根本变革%他把量子论推向前进$利用量子概念分析辐射的传播和吸收$提出光量子概念$完满地解释了经典物理学无法解释的光电效应的经验规律$从而动摇了光的波动论的正统地位%光量子概念的提出在人类认识自然界的历史第一次揭示了光同时具有波动性和粒子性$它直接为德布罗意3I*J=-KC5*’89

尽管爱因斯坦的论证清晰简明$但是他的光量子假设还是受到了广泛的质疑$他们认为光量子假设与光的波动理论完全相悖$当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的

!量子力学建立的历史背景

’9世纪末是物理学的变革时期$新的实验结果冲

击着伽利略&牛顿以来所建立的经典物理学体系%以洛伦玆3/?@7’8%A:’9

爱因斯坦的开创性贡献之一是发展了量子论%’9$%年$爱因斯坦在德国’物理学年鉴(上发表了’有关光的产生和转换的一个试探性观点(的重要文章$该文的主要思想是认为经典物理学内部存在着严重的不协调$他指出!)在物理学家关于气体或其他有重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间$有着深刻的形式上的分歧%*他认为)用连续空间函数来运算光的波动理论$在描述纯粹的光学现象时$已被证明是十分卓越的$似乎很难用任何别的理论来替换%*由此第一次提出了光量子的概念$直接发展了普朗克的量子假说%量子论是普朗克3BCD.EFGH@4@

收稿日期:2005-04-25

基金项目!国家自然科学基金!编号

作者简介:张小安%!*+#,$&男&陕西省乾县人&咸阳师范学院物理系主任&博士&教授&主要从事高电离态离子物理的研究’

!!!!咸阳师范学院学报第20卷

现象上时

早期的量子理论在解释热辐射定律’光电效应和氢原子光谱规律等问题上取得巨大的成果

!爱因斯坦与量子力学重要理论之间的关系

量子力学的名称是波恩78?9(#+-..!0-1>64-1!2年首先提出的

%在我年轻时代

不过

!

路易+德布罗意是诺贝尔物理学奖获得者

波理论的创立者

!!!!!!德布罗意在谈到波粒二象性思想的起源时说$

第!期张小安!爱因斯坦对量子力学的贡献

对于揭露我们物理学中最难以捉摸的迷#开始露出了一线微弱的光芒$我还发现了支持他的解释的一些东西%&他对玻恩说’你一定要读它$虽然看起来有一点荒唐$但很可能是有道理的&%这些足以说明爱因斯坦与物质波理论之间的联系$物质波理论不仅获得了爱因斯坦的支持$也是光量子思想的继续%

才能进入物理理论的思想进行了批评$海森堡回答说,你处理问题不正是这样的吗3你说绝对时间是不许可的$仅仅因为绝对时间是不可观察的$而只有运动的参照系或静止的参照系中存在的时钟读数才同时间的确定有关)2爱因斯坦回答说!,一个人把实际观察到的东西放在心中$会有启发性的帮助的也许能更加灵活的解释它)但在原则上试图单靠可观察量来建立理论$那是完全错误的)实际上恰恰相反$是理论决定我们能够观察到的东西)2爱因斯坦的谈话在海森堡的思想中留下了深刻的印象$因此$在此后的几个月里$同波尔一道寻求具有说服力的量子力学地解释$问题的焦点就集中在云室中电子径迹上)矩阵力学没有轨道的概念$海森堡坚信量子力学的形式已为其中出现的量规定了唯一的解释)在云室中看到的电子径迹是那么粗大$实际电子本身没有并没有那么大$因此$正确的提法是一个电子只能以一定的不确定性处在给定的位置$而又以一定的不确定性具有给定的速度$可以把这种确定性搞得最小$以便不和实验产生矛盾)终于发现了电子动量和位置坐标具有普朗克常数这个量级)这就是后来海森堡著名的测不准关系式)

!

海森堡这位因建立量子力学而获得诺贝尔物理学奖的物理大师$出身于德国的书香门第$少年时代逐步形成了追求简单(真实的性格)在当时原子物理的三大中心*哥本哈根+慕尼黑(哥廷根学习和工作过$受到过多位名师的指点%他自己说!,在索末菲那里学了物理$在波恩那里学了数学$在波尔那里学了哲学-&甚至索末菲$%&’’()*(+,-./0102/34/5指点他对待,小问题&也要仔细和慎重$这对他后来的科学影响极大%

海森堡认为$波尔$6&7)-8/0042/3195原子理论之所以不能很好的解释实验事实$其根本原因是由于这种理论建立在一些不可能直接测量的物理量的基础上%/39!年同克雷默斯.:(;,)7(www.wenku1.com)?

@)A’()B-/03!2/349/探讨色散理论的数学关系-/394

年想用同一方法解决氢原子光谱线强度的问题$由于数学关系$一时搁浅-就在此时$海森堡受到了爱因斯坦建立相对论方法的启示$,量子论用来计算像氢原子的能量这类可观察量的形成规则$从那种把电子的位置和运行周期这类原则上显然是不可观察的量之间的关系作为基本元素的理论基础看来$应受到严厉的批评-&,相信应该不考虑原子里有电子轨道的问题$而应该只用和谱线强度相联系的频率和振幅来处理$作为轨道的十全十美的代替-&但他同时认为$波尔的对应原理在经典物理和量子物理规律之间存在一种有启发价值的形式类比$是一条重要的指导原则$而不是用对应原理去猜测特定量子问题的解$则是用它来求得新理论的数学表述体系-在这种思想的主使下$海森堡放弃了所有的原子模型中轨道概念-/394年海森堡完成了0关于运动学和力学关系的量子论解释1的论文$’力图创立一种与经典力学形式体系尽可能密切对应的量子力学形式体系2$实现了由谱线频率和振幅代替景点轨道的目标$从而奠定了矩阵力学的基础)

测不准关系也是在爱因斯坦思想的启发下完成的)/391年爱因斯坦同海森堡讨论量子力学中的新思想$爱因斯坦对海森堡量子力学中只有可观察量

!

在海森堡创建矩阵力学的同时$薛定谔正沿着另一条途径为创立波动力学而孤军奋斗)他创建的波动力学共有!篇文章$题目是4量子化是本征值问题1$完成的时间是/391年)其间还有两篇重要文章$即4从微观力学到宏观力学的连续过渡1+4论海森堡+玻恩+约当的量子力学和薛定谔的量子力学关系1)薛定谔思想的关键点是电子可以看成是一种波$他的动量+能量与相应的波的波长+频率的关系由德布罗意2爱因斯坦公式给出)薛定谔早年曾在维也纳大学渡过$深受波尔兹曼思想的影响$在从事气体分子运动论和统计力学的研究时$受到了玻色和爱因斯坦提出的一种简并气体的新的统计方法的启发$但对爱因斯坦的思想不理解$因此写信同爱因斯坦进行讨论)/394年在发表波动力学建立之前最后一篇关于气体统计力学的论文是4论爱因斯坦的气体理论1$文章一开始就指出$没有德布罗意2爱因斯坦的波动理论$问题是无法解决的)在4量子化是本征值问题1的前两篇文章中$薛定谔多次提到他的工作是受到爱因斯坦思想的启发而来的)/391年在给爱因斯坦的信中更加明确的表明了这种观点$,没有你的关于简并气体的第二篇论文引起我对德布罗意

!!

思想的重要性的认识

理直觉+灵感和洞察力的思维特点

波恩的波函数的统计解释也是源于爱因斯坦的思想

!

薛定谔的波动方程建立后

#$!%年波恩发表了%散射过程的量子力学&的论文

文章开始就指出’(迄今为止

玻恩#&&!年生于普鲁士一个犹太知识分子家庭#小时受父亲影响喜欢摆弄仪器和参加科学讨论#

#$’(年慕名进入哥廷根大学以便听希尔伯特)*+,-./012

玻恩成为哥廷根大学物理系主任和正式教授#在玻恩领导下

$历史忘记爱因斯坦的原因

在量子力学的历史文献中

参考文献’

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玻尔邀请来访问讲学

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范文九:爱因斯坦对旧量子理论的贡献

◇ 科技论坛◇

科技 圈向导

2 0 1 4 年1 5 期

爱因斯坦对旧量子理论的贡献

杨 安 琪

( 沈 阳师范大学物理科学与技术学院

【 摘

辽宁

沈阳  1   1 0 0 3 4 )

要】 爱 因斯坦可 以说是 当之无愧的量子 学的 父辈级人物之一 , 本文将从量子论、 量子化 比热理论 、 光 的粒子性等 多方 面讲述爱 因斯坦

对旧量子理论的贡献。

【 关键词】 爱 因斯坦 ; 旧量子理论 ; 量子论 ; 量子化 比热理论 ; 光的粒子性

1 9世纪末可 以说是物理学的变革时代 随着科学技术的发展 , 由   率成 正比例 . 即光电子 的初 动 能随着 频 率 的增加 而增 加  只增加光

牛顿等人建立 的经典 物理学体系不断受 到冲击 。例如 : 随着科学技术  的强度 . 却 没有加大 它的频率 . 也就是说 . 虽然 光子的数量 得到 了增  的发展 . 物理学家们逐渐发现光 电效应 的一些性质是无法用 经典物理  加 . 但并 没有 给每个光子提供 能量 . 所 以这样 做无法加大每个 电子的

学的知识进行解释 的:   初 动能。 而如果 没有足够 的入射光 , 不管光子的数 目多么庞大 . 单个光  ( 1 ) 经典物理学强调 , 光 的能量和光 的强度成正 比例 。 即当光能转  子也无法获得充足 的能量去激发出光电子  化成光 电子能时 , 光电子动能与光强成正 比例 然而实际情况却不是这  经过大量实验后 .密立根在 1 9 1 5年证 明了爱因斯坦对光电效应  样的 . 当光 电子数增加时 . 光 电子动能并没有增加 。   的解 释 . 进而奠定 了原子理论 的发展基础 . 爱因斯坦也 因此 获得 了诺  ( 2 ) 在光 电效应 中, 金 属中有光 电子流 出并且形 成光 电流是 有条  贝尔 物 理 学 奖   件的 . 只有 当照射金属表 面的光的频率 高于某一特定 频率时 . 才 会发

2 . 提 出 了量 子化 比热 理 论

1 9 9 7年 ,爱 因斯坦 发表 了文 章 《 普 朗克 的辐射 理论 和 比热 理  论》 . 并在文 中提出量子化 比 热理论 。 同时他也指 出如果使用这一理论

生这一现象  而这与经典物理学坚持的理论一光的频率不是表示能量

的 物 理 量 相 矛 盾

( 3 ) 经典物理学家坚信 , 物理能量需要足够 的时间才能聚集 , 然而 ,   对现代分子运动论进行分析解释 . 得 到的结果 可能会 和人们 已有 的经  光电效应产生的过程并不需要时问 , 光入射与光电子反射一起发生 。   验相互矛盾 。出于对爱因斯坦这一 理论 的好奇 , 物 理学家能斯 特进一  面对这些 费解 的物理现象 . 面对经典 物理学 的尴 尬

处境 . 一批 年  步研究 了当温度 在零度左右 时 。 热的行为变化 . 并 进一步得 出 自己的  轻科 学家站了出来 。 他们以先进的试验为依 托 . 并提出 自己的理论 , 这  结论 在性质这一层面上 . 他的这一结论与爱 因斯坦 提出的量子化 比  些理论 在成 功地解 绝了这些问题 的同时也大大推动了物理学 的发展  热理论是一致的 继热辐射外 . 另一个 只能用量子论 进行解释 的实 验  而爱 因斯坦无疑是 这些人 中的翘 楚 , 本文将 从量子论 、 量 子化 比热 理  领 域 出现   论、 光的粒子性等多方面讲述爱因斯坦对旧量子理论做出的贡献。   1 9 0 9年 . 爱 因斯坦进一 步研究 了当空腔内部处于热平衡态 时. 电

1 . 发 展 了量 子 论

磁辐射的能量涨落情况 . 并归 纳出能量涨落公式  同时他 又以这一涨

第一个提出量子论的人是普朗克 . 但是真正推论量子力 学向前发  落公式为理论依据 . 做出预测一“ 理论物理学下一个阶段带给我们一种  展的人是爱因斯坦  光的理论。 它能被解释为波动和发射理论 的一种融合”   普朗克第一个 提出量子论 . 他指 出物体 在发生辐射 的时候 , 会 同  3 . 证 明 了光 的粒 子 性  时释放 出能量 . 而这些被释放 出的能量是量 子化 的. 并不 是连续不 变  1 9 1 6年发表 《 关于辐 射的量子理 论》 , 在 这篇文章 中爱因斯坦证  的 但 是当时的人们并没有进一步发展这一理论 . 而是试 图将这一 理  明 了光的粒子性。 他 以玻尔提 出的原子结构理论为理论依据 . 依托当时  论归 人到经典物理学的体 系之中  先进 的统计方法 . 成 功地推导 出了黑体辐射公式 . 这一公式最早 由普  与普朗克不同 . 爱 因斯坦 敏锐地察 觉到这一理论将导致物理学发  朗克提出  生根本 变革 。   对量子论 的发展 . 爱因斯坦做 出了卓越 的贡献 . 如发展 了普 朗克  1 9 0 5年 .爱 因斯坦发 表 了一 篇论文一 《 关于光 的产生 和转化 的  的量子论 , 解释了光电效应 . 提 出了量子化 比热理论 , 证 明了光 的粒子  个启发性 观点 》 . 在这 篇论文 中 , 爱 因斯坦进一 步发展 了普 朗克提  性等。由此可见 , 对旧量 子论 而言, 爱 因斯坦是当之无愧的量子学 的父  出 的量 子论 . 并 提 出 了 自己的假 设 . 同 时也 成 功地 解 释 了光 电效  辈之一。

应。

他 发展 了普朗克提出的量子论 , 认 为在产 生 、 传播 、 吸收 的完整 过

程中. 光 的能量是 量子化 的 . 而不是 连续地 分布 的。 这一假设不仅直接

【 参考文献

『 1 ] r 美1 阿伯拉罕 . 派斯. 基本粒子物理学史, 武汉出版社, 2 0 0 2 .

推动 了量子论 的发展 . 而且首 次提出光具有二性一 波动性 、 粒子性 , 这  『 2   3 N- 玻尔 . 原子物理学和人类知识. 商务印书馆, 1 9 8 3 .   成功地解释 了光电效应  f 3 ] 许 良英, 赵 中立, 范岱年等. 编译, 爱因斯坦文集第一卷, 商务印书馆, 1 9 8 3   爱 因斯坦在这本 书 中详尽 的论述 了自己的假设 .主要 观点是一  『 4 1 王作跃. 量子力学的两个研究纲领, 自然辩证法通讯, 1 9 9 1 .   光. 也 叫“ 光量子 ” , 它不仅是 电磁波 , 还是微粒 . 具有动量和质量 。 这些  『 5 ] 王福山. 近代物理学史研究. 复旦大 学出版社.

6 ] 关洪. 物理学史选讲, 高等教育 出版社 , 1 9 9 4 .   光量子 和电子交换能量 的过程就是 光电效应 的过程  同时他也指 出。   『 7 ] 赵 中立, 许 良英. 编译 . 纪念爱 因斯坦译文集, 上海科学技术出版社, 1 9 7 9 .   光能量 的分布是不连续 的. 它是 由一系列 的能量子够成 的。一个光量  『 [ 8 ] 许 良英, 赵中立, 范岱年等 编 译爱 因斯坦文集第二卷, 商务印书馆, 1 9 7 9 .   子和 电子发生碰撞时 , 会将 自己的所有能量转化成 电子动 能 , 但是 . 只

有当 电子动能大于金属原子束缚它所需的最小能量时 . 它才 可以凭借

『 9 1 范德清. 现代科学技术史 , 清华大学 出版社, 1 9 8 8 .

定的动能脱离金属表面 . 进而成为光 电子

『 1 0 ] 成素梅 . 论科学实在. 新 华出版社, 1 9 8 0   .

『 1   1 ] 乔灵爱 . 论爱因斯坦对量子理论的贡献.

爱因斯坦提出的这一假说成功地解释 了光 电效应 : 光 的能量和频  『 l 2 1 张小安. 爱因斯坦对量子力学的贡献.

作者简介 : 杨安琪( 1 9 9 3 . 3 . 7 一) , 男, 辽 宁法库人 , 就读 于沈阳师范大学物理科 学与技术 学院师范物理学专业。

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范文十:爱因斯坦对物理学的贡献(最新修改)

爱因斯坦对物理学的贡献

09级自动化1班 孙鹏

摘要:简介爱因斯坦,主要说明他对物理学的主要贡献—量子学、狭义相对论、广义相对论等。九

世纪末期是物理学的变革时期,爱因斯坦从实验事实出发,从新考查了物理学的基本概念,在理论

上作出了根本性的突破。他的量子理论对天体物理学、特别是理论天体物理学都有很大的影响。其

相对论也解决了许多物理学上多年的不解之谜,并推断出后来被验证了的光线弯曲现象,还成为后

来许多天文概念的理论基础。

关键字:光量子,原子能,时空,狭义相对论,广义相对伦。

引言

爱因斯坦是牛顿之后最伟大的科学家,同时又是一位具有深邃洞察力和独立批判精

神的思想家,一个关心人类命运、具有强烈社会责任感的真正意义上的人。他的一生对

人类来说是价值无量的,他在天文学, 物理学等方面都做出了巨大的贡献, 尤其是物理

学方面,下面将看到爱因斯坦的一些物理学的主要贡献。

1爱因斯坦简介

爱因斯坦(1879-1955)是德裔美国物理学家(拥有瑞士国籍),思想家及哲学家,

犹太人,现代物理学的开创者和奠基人,相对论——“质能关系”的提出者,“决定论

量子力学诠释”的捍卫者(振动的粒子)——不掷骰子的上帝。 1999年12月26日,

爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

2 光量子

1900年底,德国物理学家普朗克(M. Planck)发现,如果认为原子吸收和发出电磁辐

射时是一份一份的,不连续的,理论曲线就会与实验曲线符合。于是, 他提出量子说,认

为原子吸收和发射辐射时,辐射能会以不连续的“量子”形态出现,每个量子的能量与

它的频率成正比

(1)

比例常数即所谓的普朗克常数。 普朗克意识到了这一发现的重要性。 他在与儿子

一起出去散步的时候谈到:我最近做出了一个重要的发现,如果它是正确的,将能与牛顿

的成就相比美。 然而,这一发现实在太不可思议了,具有崇高学术声望的普朗克不得不

谨慎行事。 在初次向外披露这一发现时,他讲得十分保守,以至于一些听报告的人认为

这次白来了一趟,普朗克教授什么也没有讲出来。 1901年,普朗克的论文正式刊出,学术

界以十分惊讶的心情,接受了这一不可思议但又与实验符合极好的新理论[1]。

1905年,一个名不见经传的年轻人爱因斯坦(A. Einstein) ,把普朗克的量子说推

广为光子说,并用此解释了光电效应。 量子说与光子说的主要差别在哪里呢? 原来,普

朗克虽然认为原子吸收和发射辐射时是一份一份的,但认为辐射在脱离原子时仍然是连

续的。爱因斯坦的光子说则认为,辐射不仅在原子发射和吸收它时是一份一份的,不连续

的,而且在脱离原子而独立存在时,也是一份一份,不连续的。 这就是说辐射无论在与物

质相互作用过程中,还是在传播过程中都是量子化的。

普朗克迈出了量子理论的开创性的一步,然而由于经典观念的束缚,他这一步迈得

很不彻底。 爱因斯坦走了重要的第二步,把量子观念彻底化。让物理界感到震惊的是,

在这篇论文问世之后,《物理年鉴》在同一年又在普朗克的支持下发表了爱因斯坦的另

外3篇论文。7月发表用分子运动论解释布朗运动的论文(间接证明了分子的存在); 9月

发表“论运动物体的电动力学”(即狭义相对论) ,从今天的观点看来,上述4篇论文差不

多都是可以获得诺贝尔奖的。 1905年,成为了震动世界的一年,一个原来无人知晓的

26岁的青年人开创了物理学的新纪元。

3 创世纪的狭义相对论

建立相对论是爱因斯坦一生最伟大的成就,1900年前后,在人们头脑中“以太”观

念占统治地位,大家都认为光波(电磁波)是以太的弹性振动,麦克斯韦(J. CMaxwell)就

是从以太的弹性理论导出他的著名的电磁方程组的。一个需要弄清的问题是,地球相对

于以太是否运动? 那时候哥白尼的日心说和牛顿的绝对时空观都已被普遍接受。地球不

是宇宙的中心,不应该相对于绝对空间静止。比较合理的想法是:以太相对于绝对空间静

止,地球相对于以太(即相对于绝对空间)运动。天文学的光行差现象(1728, 1810)支持

这一观点。 但是,精密的迈克尔逊(A. Michelson, 1881,1887)实验却没有测到这一运

动。另外,法国人斐索(A. H. Fizeau, 1851)的流水实验表明:运动介质似乎会部分地带

动以太,但又不全带动,即地球相对于以太似乎有一定程度的运动。斐索实验也与光行差

现象矛盾。当时物理界的大多数人注意的是迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾,而爱因

斯坦主要注意的是斐索实验与光行差现象的矛盾。总之,大家都觉得以太理论出现了矛

盾。洛伦兹(H. A. Lorentz, 1892)和斐兹杰惹(G·F·Fitzgerad, 1889, 1893)各自独

立地注意到,如果假定刚尺在相对以太(绝对空间)运动的方向上会有如下的长度收缩

(洛伦兹收缩)

/ (2)

则迈克尔逊实验将测不出地球相对以太的运动速度(他们认为这一速度“实际是存在的”,

只是测不出而已) ,这样,迈克尔逊实验与光行差现象的矛盾就可以消除。 式中v是刚

尺相对以太的运动速度, c是光速,l0是刚尺静止时的长度, l则是刚尺相对以太运动时

的长度。 洛伦兹注意到,从当时公认的伽利略变换

=x –vt (3)

(3)不仅推不出(2)式,而且不能使麦克斯韦方程组在此变换下不变。 洛伦兹1904年给

出了一个新的惯性系之间的变换关系

= ,

=y

,=z ,= (4)

此关系可以使麦克斯韦电磁理论在坐标变换下不变,而且可以推出洛伦兹收缩的公式

(2) 。变换(4)称为洛伦兹变换,此外, 在一些特殊的情况下,质量公式

m= (5)

和质能关系式 Emc2 (6)

均已有人给出。但是,首先正确阐述相对论,认识到它是一个时空理论,并给出完整理论

体系和上述全部结论的是爱因斯坦,而不是别人。 这是因为,只有爱因斯坦在两个基本

观念(“相对性原理”和“光速的绝对性”)上同时实现了突破。

“光速不变原理”不仅是说真空中的光速均匀各向同性,是一个常数c,更重要的是

说在任何惯性系中测量,真空中的光速都是同一个常数c。按照人们的日常观念,如果相

对于光源静止的观测者测得的光速是c,那么以速度v向着光源运动的观测者测到的光速

将是(c + v) 。 而以速度v背离光源运动的观测者测到的光速将是(c - v) 。爱因斯坦

提出的“光速不变原理”则是说,上述3个观测者测得的光速都是同一值c。也就是说,在爱因斯坦看来,光速是绝对的,对任何观测者都一样,与光源相对于观测者的运动无关。 爱因斯坦能够从纷乱的理论探讨和实验资料中,认识到应该把光速看作绝对的,并毅然提出这一全新的观念,是极其难能可贵的。

爱因斯坦以“相对性原理”和“光速的绝对性”(“光速不变原理”)为基石,建立起狭义相对论的理论体系,并得到大量重要的让人难以理解的结论。 其中,他指出“同时”不是一个绝对的概念,而是一个相对的概念,也是观念上的重要突破。 在此之前,人们早已认识到两个事件是否发生在同一地点,对不同观测者会有不同的结论,即“同地”是一个相对的概念。 但两个事件是否同时发生,则都认为是一个绝对的概念,即任何观测者都会有相同的结论。 爱因斯坦突破了这一观念,指出“同时”也是相对的,只不过我们通常接触到的参考系,运动速度较小,“同时的相对性”不明显。 当运动速度接近光速时,“同时的相对性”将明显地表现出来。 在认识到“同时的相对性”之后,“动钟变慢”、“动尺缩短(洛伦兹收缩) ”等效应就会变得比较容易理解。

爱因斯坦提出相对论的划时代论文,充满了难懂的革命性的新思想, 而只用了当时大学本科生就能看懂的数学工具,并且没有引用任何参考文献。如果放在今天,这样的文章恐怕很难通过审稿。一般的审稿人不是看不懂其中的物理内容,就是会轻视作者的数学水平,或者因作者不引文献而误认为文章的内容跟不上世界潮流,显得没有水平。爱因斯坦很幸运,这篇文章被送给水平高、思想活跃而又不压制年轻人的普朗克审稿,一下就被推荐发表在德国的物理年鉴上。 此后,他又连续发表几篇论文,建立起狭义相对论的全部框架。

4 广义相对论

相对论(狭义相对论)发表之后,爱因斯坦很快认识到自己的理论有两个严重因难。 牛顿把惯性系定义为相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系,相对论不承认有绝对空间,这就给惯性系的定义造成了困难。 整个相对论建立在惯性系的基础上,惯性系却无法定义,理论的基石出现了问题。 此外,虽然电磁理论与相对论相容,万有引力却纳不进相对论的框架。 当时只知道这两种力,其中一种力的理论就与相对论有矛盾,此困难之严重可想而知。 不过,当时只有爱因斯坦一个人认识到了上述困难,其余人都在忙着理解相对论本身。

爱因斯坦单枪匹马地展开了对这两个困难的研究。 几年之后他就认识到不应就事论事,而应该独辟蹊径。 在几经考虑之后,他决定不去勉强定义惯性系,而是暂时躲开这一因难,他决定取消惯性系在物理理论中的特殊地位,把相对性原理(物理规律在所有惯性系中都相同)推广为“广义相对性原理”,物理规律在所有参考系(包括惯性系和非惯性系)中都相同。 这样,就可以不必定义惯性系,也就躲开了这一困难。 但是,非惯性系中有惯性力,如何处理惯性力呢? 他很快从马赫对水桶实验的讨论得到启发,认识到引力与惯性力可能有相同的起源(马赫原理)。 在用牛顿理论对伽利略的自由落体实验进行分析之后,他悟出了等效原理(引力场与惯性场局域不可区分)。 最重大的突破在于他猜出了万有引力不是真正的力,而是一种几何效应。 把物理规律的本质看作几何,这是任何其他人完全想不到的事情。他猜测物质的存在会引起时空的弯曲,万有引力正是时空弯曲的表现。 他基本上独自一个人完成了新理论的构建。 他把新理论看作相对论的推广,命名为广义相对论,此后就把原来洛伦兹命名的那部分相对论称为狭义相对论 。认识到万有引力是几何效应,认识到物质的存在会影响时空的几何,会使时空弯曲,而弯曲的时空又会反过来影响物质的运动,是人类认识史上的一次大飞跃。 在广义相对论看来,由于万有引力不是真正的力,地球上的自由落体运动和太空中的行星绕日运动都是惯性运动,它们在时空中描出的轨迹,是直线在弯曲时空中的推广———短程线。 不过,需要说明,由于四维时空中的几何实际上是伪欧几里得或伪黎曼的,作惯性运动的自由质点描出的“短程线”,不是两点间的最短线,而是最长线。 当时空恢复平直时,“短程线”就成为通常的直线。严格而美妙的数学物理体系,高深难懂的黎曼几何和张量分析,精密神奇的实验验证,再加上爱因斯坦发表狭义相对论和光子说的巨大影响,使广义相对论一下就得到了科学界的承认。 爱因斯坦的威望也达到了一生中的顶峰。实际上广义相对论的建立比狭义相对论要漫长得多。 最初,爱因斯坦企图把万有引力纳入狭义相对论的框架,几经失败使他认识到此路不通。 反复思考后他产生了等效原理的思想。 爱因斯坦曾回忆这一思想产生的关键时刻:“有一天,突破口突然找到了。 当时我正坐在伯尔尼专利局办公室里,脑子忽然闪现了一个念头,如果一个人正在自由下落,他决不会感到自己有重量。 我吃了一惊,这个简单的理想实验给我的印象太深了。 它把我引向了引力理论。”。 从1907年发表有关等效原理的论文开始,爱因斯坦几乎单枪匹马奋斗了9年,才把广义相对论的框架大体建立起来。 1905年发表狭义相对论时,有关的条件已

经成熟,洛伦兹、彭卡莱等一些人,都已接近狭义相对论的发现。 而1915年发表广义相对论时,爱因斯坦则远远超前于那个时代所有的科学家,除他之外,没有任何人接近广义相对论的发现。 所以爱因斯坦自豪地说:如果我不发现狭义相对论, 5年以内肯定会有人发现它。 如果我不发现广义相对论, 50年内也不会有人发现它。

狭义相对论的问世,震动了物理学界,也使这位年轻学者的名字,马上传遍了整个欧洲,给他带来了极高的声誉。德国著名的理论物理学家普朗克,向布拉格大学推荐爱因斯坦时说:“要对爱因斯坦理论作出中肯评价的话,那么可以把他比作20世纪的哥白尼。这也正是我所期望的评价[2-4]。”

5 对统一场论的漫长艰难的探索

从1925~1955年这30年中,除了关于量子力学的完备性问题、引力波以及广义相对论的运动问题以外,爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。1937年,在两个助手合作下,他从广义相对论的引力场方程推导出运动方程,进一步揭示了空间-时间、 物质、运动之间的统一性,这是广义相对论的重大发展,也是爱因斯坦在科学创造活动中所取得的最后一个重大成果。可是在统一场论方面,他始终没有成功。他碰到过无数次失败,但从不气馁,每次都满怀信心地从头开始。由于他远离了当时物理学研究的主流,独自去进攻当时没有条件解决的难题,再加上他在量子力学的解释问题上同当时占主导地位的哥本哈根学派针锋相对,因此,同20年代的处境相反,他晚年在物理学界非常孤立。 可是他依然无所畏惧,毫不动摇地走他自己所认定的道路去探索真理,一直到临终前一天,他还在病床上准备继续他的统一场论的数学计算。他在1948年就意识到,“我完成不了这项工作;它将被遗忘,但是将来会被重新发现。”历史的发展没有辜负他,由于70年代和80年代一系列实验有力地支持电弱统一理论,统一场论的思想以新的形式显示它的生命力,为物理学未来的发展提供了一个大有希望的前景。

参考文献:

[ 1 ] 赵 峥,探求上帝的秘密[M ], 北京:北京师范大学出版社, 19971

[ 2 ] 赵凯华,罗蔚茵1量子物理[M ], 北京:高等教育出版社, 20011

[ 3 ] 爱因斯坦 (http://www.bit-life.com/eshen/xng1116/zgsy/wlxj/Aiyin

sitan2.htm)

[ 4 ] 爱因斯坦A1相对论的意义[M ] , 北京:科学出版社, 1991

Einstein's contributions to physics

Class one of automation SunPeng

Abstract: Introduction Einstein, mainly shows that he is the main contribution of physics -- quantum science, relativity, general relativity, etc. Nine century is physics, Einstein's reform period from experimental fact of physics, new examines the basic concept, in theory made a fundamental breakthrough. His quantum theory of astrophysics, especially the theoretical astrophysics has great impact on both. The theory of relativity also solved many years of

mysteries in physics, and deduce were later verified light bending phenomenon, also became the many astronomical concept theoretical basis.

Keyword: light quantum, atomic energy, space, relativity, generalized relative Aaron.

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