愛(ài)因斯坦的科學(xué)事跡
愛(ài)因斯坦的科學(xué)事跡
愛(ài)因斯坦是著名的物理學(xué)家、思想家及哲學(xué)家。他創(chuàng)立了代表現(xiàn)代科學(xué)的相對(duì)論，為核能開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)，被公認(rèn)為是自伽利略、牛頓以來(lái)最偉大的科學(xué)家、物理學(xué)家。下面是學(xué)習(xí)啦小編收集整理的愛(ài)因斯坦科學(xué)事跡，希望對(duì)大家有幫助~~
狹義相對(duì)論的創(chuàng)立
早在16歲時(shí)，愛(ài)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(dòng)，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(chǎng)。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(wèn)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(shuō)，認(rèn)為以太就是光波傳播的媒介，它充滿了包括真空[真空]在內(nèi)的全部空間，并能滲透到物質(zhì)中。與以太說(shuō)不同，牛頓提出了光的微粒說(shuō)。牛頓認(rèn)為，發(fā)光體發(fā)射出的是以直線運(yùn)動(dòng)的微粒粒子流，粒子流沖擊視網(wǎng)膜就引起視覺(jué)。18世紀(jì)牛頓的微粒說(shuō)占了上風(fēng)，19世紀(jì)，卻是波動(dòng)說(shuō)占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。以太的學(xué)說(shuō)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(guò)麥克斯韋、赫茲等人的努力，形成了成熟的電磁現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)理論——電動(dòng)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(dòng)理論與電磁理論。以太不僅是光波的載體，也成了電磁場(chǎng)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，邁克耳遜莫雷實(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(dòng)物體的電磁過(guò)程時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，與牛頓力學(xué)所遵從的相對(duì)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(lái)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(wú)并不影響光的傳播，說(shuō)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(shuō)法明顯相悖。我們?nèi)绾谓鉀Q這一分歧呢?
愛(ài)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(ài)因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經(jīng)過(guò)赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動(dòng)力學(xué)。愛(ài)因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的，但是有一個(gè)問(wèn)題使他不安，這就是絕對(duì)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(guò)研究愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，除了作為絕對(duì)參照系和電磁場(chǎng)的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒(méi)有實(shí)際意義。于是他想到：以太絕對(duì)參照系是必要的嗎?電磁場(chǎng)一定要有荷載物嗎?這時(shí)他開始懷疑以太存在的必要。
愛(ài)因斯坦喜歡閱讀哲學(xué)著作，并從哲學(xué)中吸收思想營(yíng)養(yǎng)，他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性。相對(duì)性原理已經(jīng)在力學(xué)中被廣泛證明，卻在電動(dòng)力學(xué)中卻無(wú)法成立，對(duì)于物理學(xué)這兩個(gè)理論體系在邏輯上的不一致，愛(ài)因斯坦提出了懷疑。他認(rèn)為，相對(duì)論原理應(yīng)該普遍成立，因此電磁理論對(duì)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(wèn)題。光速是不變的量還是可變的量，成為相對(duì)性原理是否普遍成立的首要問(wèn)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(duì)參照系，這是受到牛頓的絕對(duì)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(duì)時(shí)空觀，這給愛(ài)因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天，愛(ài)因斯坦與一個(gè)朋友貝索討論這個(gè)已探索了十年的問(wèn)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(ài)因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，終于想明白了問(wèn)題。第二天，他又來(lái)到貝索家，說(shuō)：謝謝你，我的問(wèn)題解決了。原來(lái)愛(ài)因斯坦想清楚了一件事：時(shí)間沒(méi)有絕對(duì)的定義，時(shí)間與光信號(hào)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(guò)五個(gè)星期的努力工作，愛(ài)因斯坦把狹義相對(duì)論呈現(xiàn)在人們面前。
1905年6月30日，德國(guó)《物理學(xué)年鑒》接受了愛(ài)因斯坦的論文《論動(dòng)體的電動(dòng)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(duì)論的第一篇文章，它包含了狹義相對(duì)論的基本思想和基本內(nèi)容。狹義相對(duì)論所根據(jù)的是兩條原理：相對(duì)性原理和光速不變?cè)?。?ài)因斯坦解決問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)，是他堅(jiān)信相對(duì)性原理。伽利略最早闡明過(guò)相對(duì)性原理的思想，但他沒(méi)有對(duì)時(shí)間和空間給出過(guò)明確的定義。牛頓建立力學(xué)體系時(shí)也講了相對(duì)性思想，但又定義了絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)問(wèn)題上他是矛盾的。而愛(ài)因斯坦大大發(fā)展了相對(duì)性原理，在他看來(lái)，根本不存在絕對(duì)靜止的空間，同樣不存在絕對(duì)同一的時(shí)間，所有時(shí)間和空間都是和運(yùn)動(dòng)的物體聯(lián)系在一起的。對(duì)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(duì)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(duì)性原理，嚴(yán)格地說(shuō)是狹義的相對(duì)性原理。在這篇文章中，愛(ài)因斯坦沒(méi)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(duì)性原理的要求而提出來(lái)的。這篇文章是愛(ài)因斯坦多年來(lái)思考以太與電動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的結(jié)果，他從同時(shí)的相對(duì)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(dòng)體的電動(dòng)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(duì)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(lái)說(shuō)，我們會(huì)通過(guò)信號(hào)來(lái)確認(rèn)。為了得知異地事件的同時(shí)性我們就得知道信號(hào)的傳遞速度，但如何測(cè)出這一速度呢?我們必須測(cè)出兩地的空間距離以及信號(hào)傳遞所需的時(shí)間，空間距離的測(cè)量很簡(jiǎn)單，麻煩在于測(cè)量時(shí)間，我們必須假定兩地各有一只已經(jīng)對(duì)好了的鐘，從兩個(gè)鐘的讀數(shù)可以知道信號(hào)傳播的時(shí)間。但我們?nèi)绾沃喇惖氐溺妼?duì)好了呢?答案是還需要一種信號(hào)。這個(gè)信號(hào)能否將鐘對(duì)好?如果按照先前的思路，它又需要一種新信號(hào)，這樣無(wú)窮后退，異地的同時(shí)性實(shí)際上無(wú)法確認(rèn)。不過(guò)有一點(diǎn)是明確的，同時(shí)性必與一種信號(hào)相聯(lián)系，否則我們說(shuō)這兩件事同時(shí)發(fā)生是無(wú)意義的。
光信號(hào)可能是用來(lái)對(duì)時(shí)鐘最合適的信號(hào)，但光速非無(wú)限大，這樣就產(chǎn)生一個(gè)新奇的結(jié)論，對(duì)于靜止的觀察者同時(shí)的兩件事，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的觀察者就不是同時(shí)的。我們?cè)O(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(guò)站臺(tái)時(shí)，甲站在站臺(tái)上，有兩道閃電在甲眼前閃過(guò)，一道在火車前端，一道在后端，并在火車兩端及平臺(tái)的相應(yīng)部位留下痕跡，通過(guò)測(cè)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(duì)甲來(lái)說(shuō)，收到的兩個(gè)光信號(hào)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(duì)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(dòng)，因此他會(huì)先截取向著他傳播的前端信號(hào)，然后收到從后端傳來(lái)的光信號(hào)。對(duì)乙來(lái)說(shuō)，這兩起事件是不同時(shí)的。也就是說(shuō)，同時(shí)性不是絕對(duì)的，而取決于觀察者的運(yùn)動(dòng)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(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間框架。
相對(duì)論認(rèn)為，光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運(yùn)動(dòng)的最大速度。由于相對(duì)論效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度會(huì)變短，運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間膨脹。但由于日常生活中所遇到的問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)速度都是很低的(與光速相比)，看不出相對(duì)論效應(yīng)。
愛(ài)因斯坦在時(shí)空觀的徹底變革的基礎(chǔ)上建立了相對(duì)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(wú)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(duì)后來(lái)發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導(dǎo)作用。
廣義相對(duì)論的建立
1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了關(guān)于狹義相對(duì)論的第一篇文章后，并沒(méi)有立即引起很大的反響。但是德國(guó)物理學(xué)的權(quán)威人士普朗克注意到了他的文章，認(rèn)為愛(ài)因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推動(dòng)，相對(duì)論很快成為人們研究和討論的課題，愛(ài)因斯坦也受到了學(xué)術(shù)界的注意。
1907年，愛(ài)因斯坦聽從友人的建議，提交了那篇著名的論文申請(qǐng)聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的編外講師職位，但得到的答復(fù)是論文無(wú)法理解。雖然在德國(guó)物理學(xué)界愛(ài)因斯坦已經(jīng)很有名氣，但在瑞士，他卻得不到一個(gè)大學(xué)的教職，許多有名望的人開始為他鳴不平，1908年，愛(ài)因斯坦終于得到了編外講師的職位，并在第二年當(dāng)上了副教授。1912年，愛(ài)因斯坦當(dāng)上了教授，1913年，應(yīng)普朗克之邀擔(dān)任新成立的威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)和柏林大學(xué)教授。
在此期間，愛(ài)因斯坦在考慮將已經(jīng)建立的相對(duì)論推廣，對(duì)于他來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)問(wèn)題使他不安。第一個(gè)是引力問(wèn)題，狹義相對(duì)論對(duì)于力學(xué)、熱力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的物理規(guī)律是正確的，但是它不能解釋引力問(wèn)題。牛頓的引力理論是超距的，兩個(gè)物體之間的引力作用在瞬間傳遞，即以無(wú)窮大的速度傳遞，這與相對(duì)論依據(jù)的場(chǎng)的觀點(diǎn)和極限的光速?zèng)_突。第二個(gè)是非慣性系問(wèn)題，狹義相對(duì)論與以前的物理學(xué)規(guī)律一樣，都只適用于慣性系。但事實(shí)上卻很難找到真正的慣性系。從邏輯上說(shuō)，一切自然規(guī)律不應(yīng)該局限于慣性系，必須考慮非慣性系。狹義相對(duì)論很難解釋所謂的雙生子佯謬，該佯謬說(shuō)的是，有一對(duì)孿生兄弟，哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行，根據(jù)相對(duì)論效應(yīng)，高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢，等哥哥回來(lái)，弟弟已經(jīng)變得很老了，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)經(jīng)歷了幾十年。而按照相對(duì)性原理，飛船相對(duì)于地球高速運(yùn)動(dòng)，地球相對(duì)于飛船也高速運(yùn)動(dòng)，弟弟看哥哥變年輕了，哥哥看弟弟也應(yīng)該年輕了。這個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)直沒(méi)法回答。實(shí)際上，狹義相對(duì)論只處理勻速直線運(yùn)動(dòng)，而哥哥要回來(lái)必須經(jīng)過(guò)一個(gè)變速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，這是相對(duì)論無(wú)法處理的。正在人們忙于理解相對(duì)狹義相對(duì)論時(shí)，愛(ài)因斯坦正在接受完成廣義相對(duì)論。
1907年，愛(ài)因斯坦撰寫了關(guān)于狹義相對(duì)論的長(zhǎng)篇文章《關(guān)于相對(duì)性原理和由此得出的結(jié)論》，在這篇文章中愛(ài)因斯坦第一次提到了等效原理，此后，愛(ài)因斯坦關(guān)于等效原理的思想又不斷發(fā)展。他以慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比的自然規(guī)律作為等效原理的根據(jù)，提出在無(wú)限小的體積中均勻的引力場(chǎng)完全可以代替加速運(yùn)動(dòng)的參照系。愛(ài)因斯坦并且提出了封閉箱的說(shuō)法：在一封閉箱中的觀察者，不管用什么方法也無(wú)法確定他究竟是靜止于一個(gè)引力場(chǎng)中，還是處在沒(méi)有引力場(chǎng)卻在作加速運(yùn)動(dòng)的空間中，這是解釋等效原理最常用的說(shuō)法，而慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等是等效原理一個(gè)自然的推論。
1915年11月，愛(ài)因斯坦先后向普魯士科學(xué)院提交了四篇論文，在這四篇論文中，他提出了新的看法，證明了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，并給出了正確的引力場(chǎng)方程。至此，廣義相對(duì)論的基本問(wèn)題都解決了，廣義相對(duì)論誕生了。1916年，愛(ài)因斯坦完成了長(zhǎng)篇論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》，在這篇文章中，愛(ài)因斯坦首先將以前適用于慣性系的相對(duì)論稱為狹義相對(duì)論，將只對(duì)于慣性系物理規(guī)律同樣成立的原理稱為狹義相對(duì)性原理，并進(jìn)一步表述了廣義相對(duì)性原理：物理學(xué)的定律必須對(duì)于無(wú)論哪種方式運(yùn)動(dòng)著的參照系都成立。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為，由于有物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲，而引力場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)彎曲的時(shí)空。愛(ài)因斯坦用太陽(yáng)引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)中一直無(wú)法解釋的43秒。廣義相對(duì)論的第二大預(yù)言是引力紅移，即在強(qiáng)引力場(chǎng)中光譜向紅端移動(dòng)，20年代，天文學(xué)家在天文觀測(cè)中證實(shí)了這一點(diǎn)。廣義相對(duì)論的第三大預(yù)言是引力場(chǎng)使光線偏轉(zhuǎn)，。最靠近地球的大引力場(chǎng)是太陽(yáng)引力場(chǎng)，愛(ài)因斯坦預(yù)言，遙遠(yuǎn)的星光如果掠過(guò)太陽(yáng)表面將會(huì)發(fā)生一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。1919年，在英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓的鼓動(dòng)下，英國(guó)派出了兩支遠(yuǎn)征隊(duì)分赴兩地觀察日全食，經(jīng)過(guò)認(rèn)真的研究得出最后的結(jié)論是：星光在太陽(yáng)附近的確發(fā)生了一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)正式宣讀了觀測(cè)報(bào)告，確認(rèn)廣義相對(duì)論的結(jié)論是正確的。會(huì)上，著名物理學(xué)家、皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)湯姆孫說(shuō)：“這是自從牛頓時(shí)代以來(lái)所取得的關(guān)于萬(wàn)有引力理論的最重大的成果”，“愛(ài)因斯坦的相對(duì)論是人類思想最偉大的成果之一”。愛(ài)因斯坦成了新聞人物，他在1916年寫了一本通俗介紹相對(duì)論的書《狹義與廣義相對(duì)論淺說(shuō)》，到1922年已經(jīng)再版了40次，還被譯成了十幾種文字，廣為流傳。
E=mc^2
物質(zhì)不滅定律，說(shuō)的是物質(zhì)的質(zhì)量不滅;能量守恒定律，說(shuō)的是物質(zhì)的能量守恒。(信息守恒定律)
雖然這兩條偉大的定律相繼被人們發(fā)現(xiàn)了，但是人們以為這是兩個(gè)風(fēng)馬牛不相關(guān)的定律，各自說(shuō)明了不同的自然規(guī)律。甚至有人以為，物質(zhì)不滅定律是一條化學(xué)定律，能量守恒定律是一條物理定律，它們分屬于不同的科學(xué)范疇。
愛(ài)因斯坦認(rèn)為，物質(zhì)的質(zhì)量是慣性的量度，能量是運(yùn)動(dòng)的量度;能量與質(zhì)量并不是彼此孤立的，而是互相聯(lián)系的，不可分割的。物體質(zhì)量的改變，會(huì)使能量發(fā)生相應(yīng)的改變;而物體能量的改變，也會(huì)使質(zhì)量發(fā)生相應(yīng)的改變。
在狹義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦提出了著名的質(zhì)能公式：E=mc^2 (這里的E代表物體的能量，m代表物體的質(zhì)量，c代表光的速度，即3×10^8m/s)。
愛(ài)因斯坦的理論，最初受到許多人的反對(duì)，就連當(dāng)時(shí)一些著名物理學(xué)家也對(duì)這位年青人的論文表示懷疑。然而，隨著科學(xué)的發(fā)展，大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明愛(ài)因斯坦的理論是正確的，愛(ài)因斯坦才一躍而成為世界著名的科學(xué)家，成為20世紀(jì)世界最偉大的科學(xué)家。
愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系公式，正確地解釋了各種原子核反應(yīng)：就拿氦4來(lái)說(shuō)，它的原子核是由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的。照理，氦4原子核的質(zhì)量就等于2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子質(zhì)量之和。實(shí)際上，這樣的算術(shù)并不成立，氦核的質(zhì)量比2個(gè)質(zhì)子、2個(gè)中子質(zhì)量之和少了0.0302原子質(zhì)量單位!這是為什么呢?因?yàn)楫?dāng)2個(gè)氘[dao]核(每個(gè)氘核都含有1個(gè)質(zhì)子、1個(gè)中子)聚合成1個(gè)氦4原子核時(shí)，釋放出大量的原子能。生成1克氦4原子時(shí)，大約放出2.7×10^12焦耳的原子能。正因?yàn)檫@樣，氦4原子核的質(zhì)量減少了。
這個(gè)例子生動(dòng)地說(shuō)明：在2個(gè)氘原子核聚合成1個(gè)氦4原子核時(shí)，似乎質(zhì)量并不守恒，也就是氦4原子核的質(zhì)量并不等于2個(gè)氘核質(zhì)量之和。然而，用質(zhì)能關(guān)系公式計(jì)算，氦4原子核失去的質(zhì)量，恰巧等于因反應(yīng)時(shí)釋放出原子能而減少的質(zhì)量!
這樣一來(lái)，愛(ài)因斯坦就從更新的高度，闡明了物質(zhì)不滅定律和能量守恒定律的實(shí)質(zhì)，指出了兩條定律之間的密切關(guān)系，使人類對(duì)大自然的認(rèn)識(shí)又深了一步。
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(ài)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(lái)的電子叫做光電子。光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長(zhǎng)，對(duì)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(zhǎng)而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，這一點(diǎn)無(wú)法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長(zhǎng)一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒聦?shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長(zhǎng)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(wú)關(guān) ,光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響。
1905年，愛(ài)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(jiǎng)。
“上帝不擲骰子”
愛(ài)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(ài)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(duì)值平方。”)不完備”，但苦于沒(méi)有好的解說(shuō)樣板，也就有了著名的“上帝不擲骰子”的否定式吶喊!愛(ài)因斯坦到過(guò)世前都沒(méi)有接受量子力學(xué)是一個(gè)完備的理論。愛(ài)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(ài)因斯坦對(duì)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)
宇宙常數(shù)
愛(ài)因斯坦在提出相對(duì)論的時(shí)候，曾將宇宙常數(shù)(為了解釋物質(zhì)密度不為零的靜態(tài)宇宙的存在﹐
他在引力場(chǎng)方程中引進(jìn)一個(gè)與度規(guī)張量成比例的項(xiàng)﹐用符號(hào)Λ 表示。該比例常數(shù)很小﹐在銀河系尺度范圍可忽略不計(jì)。只在宇宙尺度下﹐Λ 才可能有意義﹐所以叫作宇宙常數(shù)。即所謂的反引力的固定數(shù)值)代入他的方程。他認(rèn)為，有一種反引力，能與引力平衡，促使宇宙有限而靜態(tài)。當(dāng)哈勃得意洋洋的在天文望遠(yuǎn)鏡展示給愛(ài)因斯坦看時(shí)，愛(ài)因斯坦慚愧極了，他說(shuō)：“這是我一生所犯下的最大錯(cuò)誤。”宇宙是膨脹著的!哈勃等認(rèn)為，反引力是不存在的，由于星系間的引力，促使膨脹速度越來(lái)越慢。
那么，愛(ài)因斯坦就完全錯(cuò)了嗎?不。星系間有一種扭旋的力，促使宇宙不斷膨脹，即暗能量。70億年前，它們“戰(zhàn)勝”了暗物質(zhì)，成為宇宙的主宰。最新研究表明，按質(zhì)量成份(只算實(shí)質(zhì)量，不算虛物質(zhì))計(jì)算，暗物質(zhì)和暗能量約占宇宙96%。看來(lái)，宇宙將不斷加速膨脹，直至解體死亡。(目前也有其它說(shuō)法，爭(zhēng)議不休)。宇宙常數(shù)雖存在，但反引力的值遠(yuǎn)超過(guò)引力。也難怪這位倔強(qiáng)的物理學(xué)家與波爾在量子力學(xué)的爭(zhēng)論：“上帝是不擲骰子的!”(不要指揮上帝如何決定宇宙的命運(yùn))
林德饒有風(fēng)趣的說(shuō)：“現(xiàn)在，我終于明白，為什么他(愛(ài)因斯坦)這么喜歡這個(gè)理論，多年后依然研究宇宙常數(shù)，宇宙常數(shù)依然是當(dāng)今物理學(xué)最大的疑問(wèn)之一。”
愛(ài)因斯坦評(píng)論自然辯證法
愛(ài)因斯坦對(duì)恩格斯的《自然辯證法》手稿閱讀完畢后曾做出這樣的評(píng)價(jià)：“愛(ài)德華•伯恩斯坦先生把恩格斯的一 部關(guān)于自然科學(xué)內(nèi)容的手稿交給我，托付我發(fā)表意見(jiàn)，看這部手稿是否應(yīng)該付印。我的意見(jiàn)如下：要是這部手稿出自一位并非作為一個(gè)歷史人物而引人注意的作者， 那么我就不會(huì)建議把它付印，因?yàn)椴徽搹漠?dāng)代物理學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，還是從物理學(xué)史方面來(lái)說(shuō)，這部手稿的內(nèi)容都沒(méi)有特殊的趣味?？墒?，我可以這樣設(shè)想：如果考慮到這部著作對(duì)于闡明恩格斯的思想的意義是一個(gè)有趣的文獻(xiàn)，那是可以出版的。”
在1940年6月17日給胡克的信中，愛(ài)因斯坦說(shuō)：“我堅(jiān)信，要是恩格斯本人能夠看到，在這樣長(zhǎng)久的時(shí)間之后，他的這個(gè)謹(jǐn)慎的嘗試竟被認(rèn)為具有如此巨大的重要性，他會(huì)覺(jué)得好笑。”
以上選自《愛(ài)因斯坦文集》第一卷，商務(wù)印書館，1977年，第202頁(yè)
貢獻(xiàn)物質(zhì)不滅定律，說(shuō)的是物質(zhì)的質(zhì)量不滅;能量守恒定律，說(shuō)的是物質(zhì)的能量守恒。 (信息守恒定律)
雖然這兩條偉大的定律相繼被人們發(fā)現(xiàn)了，但是人們以為這是兩個(gè)風(fēng)馬牛不相關(guān)的定律，各自說(shuō)明了不同的自然規(guī)律。甚至有人以為，物質(zhì)不滅定律是一條化學(xué)定律，能量守恒定律是一條物理定律，它們分屬于不同的科學(xué)范疇。
愛(ài)因斯坦認(rèn)為，物質(zhì)的質(zhì)量是慣性的量度，能量是運(yùn)動(dòng)的量度;能量與質(zhì)量并不是彼此孤立的，而是互相聯(lián)系的，不可分割的。物體質(zhì)量的改變，會(huì)使能量發(fā)生相應(yīng)的改變;而物體能量的改變，也會(huì)使質(zhì)量發(fā)生相應(yīng)的改變。
在狹義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦提出了著名的質(zhì)能公式：E=mc^2 (這里的E代表物體的能量，m代表物體的質(zhì)量，c代表光的速度，即每秒30萬(wàn)公里。)
按照愛(ài)因斯坦的理論，如果把1克溫度為0℃的水，加熱到100℃水吸收了100卡的熱量，這時(shí)水的質(zhì)量也相應(yīng)增加了。按照質(zhì)能關(guān)系公式計(jì)算，1克水的質(zhì)量增加了0.00000000000465克。
愛(ài)因斯坦的理論，最初受到許多人的反對(duì)，就連當(dāng)時(shí)一些著名物理學(xué)家也對(duì)這位年青人的論文表示懷疑。然而，隨著科學(xué)的發(fā)展，大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明愛(ài)因斯坦的理論是正確的，愛(ài)因斯坦才一躍而成為世界著名的科學(xué)家，成為20世紀(jì)世界最偉大的科學(xué)家。
愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系公式，正確地解釋了各種原子核反應(yīng)：就拿氦4來(lái)說(shuō)，它的原子核是由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的。照理，氦4原子核的質(zhì)量就等于2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子質(zhì)量之和。實(shí)際上，這樣的算術(shù)并不成立，氦核的質(zhì)量比2個(gè)質(zhì)子、2個(gè)中子質(zhì)量之和少了0.0302原子質(zhì)量單位!這是為什么呢?因?yàn)楫?dāng)2個(gè)氘[dao]核(每個(gè)氘核都含有1個(gè)質(zhì)子、1個(gè)中子)聚合成1個(gè)氦4原子核時(shí)，釋放出大量的原子能。生成1克氦4原子時(shí)，大約放出2700000000000焦耳的原子能。正因?yàn)檫@樣，氦4原子核的質(zhì)量減少了。
這個(gè)例子生動(dòng)地說(shuō)明：在2個(gè)氘原子核聚合成1個(gè)氦4原子核時(shí)，似乎質(zhì)量并不守恒，也就是氦4原子核的質(zhì)量并不等于2個(gè)氘核質(zhì)量之和。然而，用質(zhì)能關(guān)系公式計(jì)算，氦4原子核失去的質(zhì)量，恰巧等于因反應(yīng)時(shí)釋放出原子能而減少的質(zhì)量!
這樣一來(lái)，愛(ài)因斯坦就從更新的高度，闡明了物質(zhì)不滅定律和能量守恒定律的實(shí)質(zhì)，指出了兩條定律之間的密切關(guān)系，使人類對(duì)大自然的認(rèn)識(shí)又深了一步。
物質(zhì)不滅定律和能量守恒定律，是自然界的偉大定律。它來(lái)自客觀實(shí)際，又在客觀實(shí)際中久經(jīng)考驗(yàn)。多少年來(lái)，這兩條定律經(jīng)受了千萬(wàn)次考驗(yàn)。物質(zhì)不滅定律和能量守恒定律，已經(jīng)成為現(xiàn)代自然科學(xué)的基石，同時(shí)，它也從根本上給宗教的唯心主義觀點(diǎn)以致命的打擊，因?yàn)槲镔|(zhì)是不能憑空創(chuàng)造的，也不能憑空消滅，所以誰(shuí)也不再相信什么上帝創(chuàng)造萬(wàn)物，上帝創(chuàng)造世界的反科學(xué)的謬論了。另外，它還雄辯地說(shuō)明，世界上永遠(yuǎn)不會(huì)有“永動(dòng)機(jī)”。想不花費(fèi)勞動(dòng)就從大自然中獲取能源，是不可能的。
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