愛(ài)因斯坦對(duì)量子理論的貢獻(xiàn).doc

愛(ài)因斯坦對(duì)量子理論的貢獻(xiàn)量子百年紀(jì)念文章高山在紀(jì)念量子百年“誕辰”的這一時(shí)刻，我們有理由回顧一下它的發(fā)現(xiàn)者們艱辛探索的歷程，這不僅是對(duì)他們的一種充滿深深敬意和感謝的緬懷，同時(shí)也可以使我們從中獲得進(jìn)一步探索的勇氣和力量。本文我們將簡(jiǎn)要介紹愛(ài)因斯坦對(duì)量子理論的貢獻(xiàn)。1901年 發(fā)表第一篇科學(xué)文章，關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象1905年 光量子假說(shuō)1906年 固體比熱理論，指出普朗克量子假說(shuō)的真實(shí)物理含義1909年 光的波粒二象性思想1916年 普朗克公式的重新推導(dǎo)，受激輻射理論1924年 玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)1925年 對(duì)德布羅意物質(zhì)波思想的支持，促使薛定諤建立波動(dòng)力學(xué)1926年 開(kāi)始探索通過(guò)統(tǒng)一場(chǎng)論來(lái)表述完備的量子理論1927年 最早注意到量子力學(xué)與相對(duì)論的不相容性，開(kāi)始反對(duì)玻爾等人的哥本哈根解釋1935年 發(fā)表EPR文章，利用定域性假設(shè)論證量子力學(xué)的不完備性1952年 反對(duì)玻姆的隱變量理論愛(ài)因斯坦無(wú)疑是當(dāng)代人最熟悉的科學(xué)家的名字，他幾乎成了科學(xué)家的神圣象征。最近，英國(guó)物理世界雜志評(píng)選出有史以來(lái)10位最杰出的物理學(xué)家，其中名列榜首的就是愛(ài)因斯坦。然而，盡管大多數(shù)人都知道愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論，但卻并不了解他也曾經(jīng)對(duì)量子理論做過(guò)同樣，甚至更大的貢獻(xiàn)。本文我們將主要介紹愛(ài)因斯坦對(duì)量子理論的貢獻(xiàn)。量子的真正發(fā)現(xiàn)者1900年，普朗克在對(duì)黑體輻射的研究中第一個(gè)猜測(cè)到量子的存在。這一年的12月14日，普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出了能量量子化假說(shuō)，根據(jù)這一假說(shuō)，在光波的發(fā)射和吸收過(guò)程中，發(fā)射體和吸收體的能量變化是不連續(xù)的，能量值只能取某個(gè)最小能量元的整數(shù)倍。然而，在普朗克的分析中，他只是將能量量子化作為一種方便的計(jì)算手段，而并沒(méi)有賦予它真實(shí)的物理意義，更沒(méi)有意識(shí)到能量量子化與經(jīng)典力學(xué)及經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的根本背離。 在能量量子化假說(shuō)提出之后，普朗克本人一直試圖利用經(jīng)典的連續(xù)概念來(lái)解釋輻射能量的不連續(xù)性。此時(shí)，是愛(ài)因斯坦最早認(rèn)識(shí)到普朗克量子假說(shuō)的非經(jīng)典特征，即能量的量子化假設(shè)與麥克斯韋電磁場(chǎng)理論是不相容的，并將這一假說(shuō)大膽地應(yīng)用到物理學(xué)的其他領(lǐng)域中，如光電效應(yīng)（1905），固體比熱（1906），光化學(xué)現(xiàn)象(1912)，理想氣體的玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)（1924）等。為此，科學(xué)史家?guī)於魃踔翆?ài)因斯坦，而不是普朗克稱(chēng)為量子的發(fā)現(xiàn)者。 此外，愛(ài)因斯坦第一個(gè)指出了普朗克推導(dǎo)中的邏輯不一致性（1906），即同時(shí)應(yīng)用能量的量子化假設(shè)和麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，并重新給出了普朗克輻射公式的純量子推導(dǎo)，在這一推導(dǎo)中，他只利用了光量子假設(shè)和玻爾的定態(tài)躍遷假設(shè)（1916）。光量子1905年，年青的愛(ài)因斯坦不僅意識(shí)到普朗克量子假說(shuō)的革命性意義，而且還進(jìn)一步發(fā)展了普朗克的能量子概念。這一年，愛(ài)因斯坦大膽地提出了光量子假說(shuō)。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，能量子概念不只是在光波的發(fā)射和吸收時(shí)才有意義，光波本身就是由一個(gè)個(gè)不連續(xù)的、不可分割的能量量子所組成的。進(jìn)一步地，利用普朗克的能量量子化公式，愛(ài)因斯坦還給出了光子的能量和動(dòng)量表達(dá)式，即E=hv及P=h，式中h是普朗克恒量，v和依次是單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)和單位長(zhǎng)度上的波數(shù)。利用這一光量子假說(shuō)，愛(ài)因斯坦成功地解釋了經(jīng)典電磁場(chǎng)理論無(wú)法解釋的光電效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。光量子假說(shuō)是一個(gè)如此反傳統(tǒng)的假說(shuō)，以至于在愛(ài)因斯坦提出之后幾乎沒(méi)有人相信它，量子理論的另兩位奠基人普朗克和玻爾都拒絕接受光量子概念。1915年，美國(guó)物理學(xué)家密立根在實(shí)驗(yàn)上證明了愛(ài)因斯坦對(duì)于光電效應(yīng)的解釋是正確的，但他本人并不相信光量子的存在。直到1922年，康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)才最終令人信服地證實(shí)了光量子的真實(shí)存在，并使光量子概念開(kāi)始為人們所接受。1926年，美國(guó)化學(xué)家劉易斯將光量子命名為光子（photon）。愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的解釋而獲得了1921年的諾貝爾獎(jiǎng)，他晚年認(rèn)為光量子概念是他一生中所發(fā)現(xiàn)的最具革命性的思想。物質(zhì)的波粒二象性愛(ài)因斯坦不僅最早將粒子特性賦予光波（1905），而且還最早將波特性賦予了理想氣體分子（1924），可以說(shuō)，是愛(ài)因斯坦最早注意到了物質(zhì)的波粒二象性。由于波粒二象性被證明是自然界中一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最基本的量子特性，因此愛(ài)因斯坦的這一發(fā)現(xiàn)甚至比他的相對(duì)論更為重要。1909年，愛(ài)因斯坦嚴(yán)格證明了輻射，即光子具有波粒二象性，并指出了已被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的普朗克輻射公式同時(shí)包含了輻射的這兩種對(duì)立的屬性。光的波粒二象性的發(fā)現(xiàn)也許是愛(ài)因斯坦對(duì)量子理論所做出的最大貢獻(xiàn)，它首次揭示了光的量子特性，即光不僅具有波動(dòng)性，同時(shí)也具有粒子性。正是光的波粒二象性概念進(jìn)一步引導(dǎo)德布羅意提出物質(zhì)波假說(shuō)（1923），將光子的波粒二象性賦予了所有物質(zhì)粒子，并最終促使薛定諤建立了量子理論的波動(dòng)力學(xué)形式（1926）。量子力學(xué)與相對(duì)論的不相容性1925-1926年間，量子力學(xué)大廈在物理學(xué)家們的共同努力下終于落成，然而作為主要奠基者的愛(ài)因斯坦并不滿意這個(gè)理論體系。在對(duì)量子力學(xué)的批判性的分析中，愛(ài)因斯坦最早注意到了量子力學(xué)與相對(duì)論的不相容性。1927年，愛(ài)因斯坦參加了在布魯塞爾舉行的第五屆索爾維會(huì)議，他在這次會(huì)議上第一次公開(kāi)對(duì)量子力學(xué)發(fā)表意見(jiàn)。愛(ài)因斯坦在會(huì)后討論的發(fā)言中指出，如果量子力學(xué)是描述單次微觀實(shí)在過(guò)程的理論，則量子力學(xué)與相對(duì)性原理不相容。愛(ài)因斯坦的這一分析是關(guān)于量子力學(xué)與相對(duì)論的不相容性的最早認(rèn)識(shí)。1935年，愛(ài)因斯坦在論證量子力學(xué)不完備性的EPR文章中，再一次揭示了量子力學(xué)的完備性同相對(duì)論的定域性假設(shè)之間存在矛盾。EPR文章促使人們對(duì)定域性假設(shè)的有效性進(jìn)行了更加深入的研究，這些研究大大加深了人們對(duì)量子非定域性的認(rèn)識(shí)。愛(ài)因斯坦一生都堅(jiān)持定域性假設(shè)，并堅(jiān)信量子力學(xué)是不完備的，在愛(ài)因斯坦看來(lái)，量子力學(xué)由于違反相對(duì)論而必然是錯(cuò)誤的，至少是不完備的。量子力學(xué)需要完善在量子力學(xué)建立之后，愛(ài)因斯坦的貢獻(xiàn)主要在于指出了這一理論的不完備性，并督促人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)更完備的量子理論。同時(shí)，愛(ài)因斯坦本人一直試圖在新的基礎(chǔ)上重建完備的量子理論，他選擇了統(tǒng)一場(chǎng)論方向，并認(rèn)為場(chǎng)論最終可以提供一個(gè)完備的量子理論。 愛(ài)因斯坦一生都堅(jiān)持實(shí)在論，而反對(duì)具有實(shí)證論傾向的量子力學(xué)的哥本哈根解釋。愛(ài)因斯坦對(duì)哥本哈根解釋提出了很多反對(duì)意見(jiàn)，而玻爾等人正是通過(guò)分析這些反對(duì)意見(jiàn)才進(jìn)一步完善了他們對(duì)量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋。因此，愛(ài)因斯坦在很大程度上促進(jìn)了量子力學(xué)解釋的不斷清晰和完善，同時(shí)，愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)哥本哈根解釋的批判也一直在激勵(lì)人們?nèi)グl(fā)展更為完善的量子理論。這一貢獻(xiàn)的影響是最為深遠(yuǎn)的，因?yàn)閻?ài)因斯坦所關(guān)心的量子問(wèn)題至今依然存在，量子力學(xué)仍然沒(méi)有被真正理解，量子力學(xué)與相對(duì)論的不相容問(wèn)題也仍然沒(méi)有得到解決。愛(ài)因斯坦于1905年創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，于1915年建立了廣義相對(duì)論，然而，他一生的大部分時(shí)間都在思索量子的神秘本質(zhì)，并試圖建立一種更完備的量子理論。愛(ài)因斯坦晚年承認(rèn)，“整整50年有意識(shí)的思考仍沒(méi)有使我更接近光