愛因斯坦的物理故事
阿爾伯特·愛因斯坦因?yàn)?ldquo;對理論物理的貢獻(xiàn)，特別是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)”而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎，現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者、奠基人，相對論——“質(zhì)能關(guān)系”的創(chuàng)立者，你知道關(guān)于他的物理故事嗎?接下來學(xué)習(xí)啦小編為你整理了愛因斯坦的物理故事，一起來看看吧。
愛因斯坦的物理故事——相對論
早在16歲時(shí)，愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進(jìn)的電磁波，他產(chǎn)生了一個(gè)想法，如果一個(gè)人以光的速度運(yùn)動，他將看到一幅什么樣的世界景象呢?他將看不到前進(jìn)的光，只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場。這種事可能發(fā)生嗎?
與此相聯(lián)系，他非常想探討與光波有關(guān)的所謂以太的問題。以太這個(gè)名詞源于希臘，用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀(jì)的笛卡爾和其后的克里斯蒂安·惠更斯首創(chuàng)并發(fā)展了以太學(xué)說，認(rèn)為以太就是光波傳播的媒介，它充滿了包括真空在內(nèi)的全部空間，并能滲透到物質(zhì)中。與以太說不同，牛頓提出了光的微粒說。牛頓認(rèn)為，發(fā)光體發(fā)射出的是以直線運(yùn)動的微粒粒子流，粒子流沖擊視網(wǎng)膜就引起視覺。18世紀(jì)牛頓的微粒說占了上風(fēng)，19世紀(jì)，卻是波動說占了絕對優(yōu)勢。以太的學(xué)說也大大發(fā)展：波的傳播需要媒質(zhì)，光在真空中傳播的媒質(zhì)就是以太，也叫光以太。與此同時(shí)，電磁學(xué)得到了蓬勃發(fā)展，經(jīng)過麥克斯韋、赫茲等人的努力，形成了成熟的電磁現(xiàn)象的動力學(xué)理論——電動力學(xué)，并從理論與實(shí)踐上證明光就是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，從而統(tǒng)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(jì)末，人們企圖尋找以太，然而從未在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以太，相反，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)以太不太可能存在。
電磁學(xué)的發(fā)展最初也是納入牛頓力學(xué)的框架，但在解釋運(yùn)動物體的電磁過程時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，與牛頓力學(xué)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(gè)恒量;然而按照牛頓力學(xué)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，后一輛車的燈光遠(yuǎn)離。根據(jù)伽利略理論，向你駛來的車將發(fā)出速度大于C(真空光速3.0x10^8m/s)的光，即前車的光的速度=光速+車速;而駛離車的光速小于C，即后車光的速度=光速-車速。但按照這兩種光的速度相同，因?yàn)樵邴溈怂鬼f的理論中，車的速度有無并不影響光的傳播，說白了不管車子怎樣，光速等于C。麥克斯韋與伽利略關(guān)于速度的說法明顯相悖。我們?nèi)绾谓鉀Q這一分歧呢?
愛因斯坦似乎就是那個(gè)將構(gòu)建嶄新的物理學(xué)大廈的人。愛因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經(jīng)過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學(xué)。愛因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的，但是有一個(gè)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(fā)現(xiàn)，所有人試圖證明以太存在的試驗(yàn)都是失敗的。經(jīng)過研究愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，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(jīng)沒有實(shí)際意義。于是他想到：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(shí)他開始懷疑以太存在的必要。
愛因斯坦喜歡閱讀哲學(xué)著作，并從哲學(xué)中吸收思想營養(yǎng)，他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性。相對性原理已經(jīng)在力學(xué)中被廣泛證明，卻在電動力學(xué)中卻無法成立，對于物理學(xué)這兩個(gè)理論體系在邏輯上的不一致，愛因斯坦提出了懷疑。他認(rèn)為，相對論原理應(yīng)該普遍成立，因此電磁理論對于各個(gè)慣性系應(yīng)該具有同樣的形式，但在這里出現(xiàn)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(dāng)時(shí)的物理學(xué)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(jì)末，馬赫在所著的《發(fā)展中的力學(xué)》中，批判了牛頓的絕對時(shí)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(gè)朋友貝索討論這個(gè)已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點(diǎn)闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過反復(fù)思考，終于想明白了問題。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(shí)間沒有絕對的定義，時(shí)間與光信號的速度有一種不可分割的聯(lián)系。他找到了開鎖的鑰匙，經(jīng)過五個(gè)星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現(xiàn)在人們面前。
1905年6月30日，德國《物理學(xué)年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學(xué)》，在同年9月的該刊上發(fā)表。這篇論文是關(guān)于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(nèi)容。狹義相對論所根據(jù)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(fā)點(diǎn)，是他堅(jiān)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(shí)間和空間給出過明確的定義。牛頓建立力學(xué)體系時(shí)也講了相對性思想，但又定義了絕對空間、絕對時(shí)間和絕對運(yùn)動，在這個(gè)問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發(fā)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(shí)間，所有時(shí)間和空間都是和運(yùn)動的物體聯(lián)系在一起的。對于任何一個(gè)參照系和坐標(biāo)系，都只有屬于這個(gè)參照系和坐標(biāo)系的空間和時(shí)間。對于一切慣性系，運(yùn)用該參照系的空間和時(shí)間所表達(dá)的物理規(guī)律，它們的形式都是相同的，這就是相對性原理，嚴(yán)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(jù)，他提出光速不變是一個(gè)大膽的假設(shè)，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(xué)問題的結(jié)果，他從同時(shí)的相對性這一點(diǎn)作為突破口，建立了全新的時(shí)間和空間理論，并在新的時(shí)空理論基礎(chǔ)上給動體的電動力學(xué)以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。
什么是同時(shí)性的相對性?不同地方的兩個(gè)事件我們何以知道它是同時(shí)發(fā)生的呢?一般來說，我們會通過信號來確認(rèn)。為了得知異地事件的同時(shí)性我們就得知道信號的傳遞速度，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信號傳遞所需的時(shí)間，空間距離的測量很簡單，麻煩在于測量時(shí)間，我們必須假定兩地各有一只已經(jīng)對好了的鐘，從兩個(gè)鐘的讀數(shù)可以知道信號傳播的時(shí)間。但我們?nèi)绾沃喇惖氐溺妼昧四?答案是還需要一種信號。這個(gè)信號能否將鐘對好?如果按照先前的思路，它又需要一種新信號，這樣無窮后退，異地的同時(shí)性實(shí)際上無法確認(rèn)。不過有一點(diǎn)是明確的，同時(shí)性必與一種信號相聯(lián)系，否則我們說這兩件事同時(shí)發(fā)生是無意義的。
光信號可能是用來對時(shí)鐘最合適的信號，但光速非無限大，這樣就產(chǎn)生一個(gè)新奇的結(jié)論，對于靜止的觀察者同時(shí)的兩件事，對于運(yùn)動的觀察者就不是同時(shí)的。我們設(shè)想一個(gè)高速運(yùn)行的列車，它的速度接近光速。列車通過站臺時(shí)，甲站在站臺上，有兩道閃電在甲眼前閃過，一道在火車前端，一道在后端，并在火車兩端及平臺的相應(yīng)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(jié)論是，甲是同時(shí)看到兩道閃電的。因此對甲來說，收到的兩個(gè)光信號在同一時(shí)間間隔內(nèi)傳播同樣的距離，并同時(shí)到達(dá)他所在位置，這兩起事件必然在同一時(shí)間發(fā)生，它們是同時(shí)的。但對于在列車內(nèi)部正中央的乙，情況則不同，因?yàn)橐遗c高速運(yùn)行的列車一同運(yùn)動，因此他會先截取向著他傳播的前端信號，然后收到從后端傳來的光信號。對乙來說，這兩起事件是不同時(shí)的。也就是說，同時(shí)性不是絕對的，而取決于觀察者的運(yùn)動狀態(tài)。這一結(jié)論否定了牛頓力學(xué)中引以為基礎(chǔ)的絕對時(shí)間和絕對空間框架。
相對論認(rèn)為，光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運(yùn)動的最大速度。由于相對論效應(yīng)，運(yùn)動物體的長度會變短，運(yùn)動物體的時(shí)間膨脹。但由于日常生活中所遇到的問題，運(yùn)動速度都是很低的(與光速相比)，看不出相對論效應(yīng)。
愛因斯坦在時(shí)空觀的徹底變革的基礎(chǔ)上建立了相對論力學(xué)，指出質(zhì)量隨著速度的增加而增加，當(dāng)速度接近光速時(shí)，質(zhì)量趨于無窮大。他并且給出了著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc^2，質(zhì)能關(guān)系式對后來發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導(dǎo)作用。
愛因斯坦的物理故事——光電效應(yīng)
光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。
光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。
赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，愛因斯坦第一個(gè)成功的解釋了光電效應(yīng)。金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子。光波長小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長，對應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而與光強(qiáng)度無關(guān)，這一點(diǎn)無法用光的波動性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)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(shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。
光電效應(yīng)里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關(guān) ,光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產(chǎn)生影響。
1905年，愛因斯坦提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。
“上帝不擲骰子”
愛因斯坦曾經(jīng)是量子力學(xué)的催生者之一，但是他不滿意量子力學(xué)的后續(xù)發(fā)展，愛因斯坦始終認(rèn)為“量子力學(xué)(以玻恩為首的哥本哈根詮釋：“基本上，量子系統(tǒng)的描述是機(jī)率的。一個(gè)事件的機(jī)率是波函數(shù)的絕對值平方。”)不完備”，但苦于沒有好的解說樣板，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(xué)是一個(gè)完備的理論。愛因斯坦還有另一個(gè)名言：“月亮是否只在你看著他的時(shí)候才存在?”(注：愛因斯坦對量子力學(xué)的挑戰(zhàn)已經(jīng)失敗，試驗(yàn)證實(shí)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)
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